IZDELAVA VZMETI D3,2 ETB2-6 3S S POSTOPKI PREOBLIKOVANJA Študent: Študijski program: Smer: Matej CENTRIH Strojništvo, univerzitetni, 1. stopnja Proizvodne tehnologije in sistemi Mentor: Somentor: izr. prof. dr. Ivo PAHOLE red. prof. dr. Zoran REN Maribor, september 2011
- II -
I Z J A V A Podpisani Matej CENTRIH izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Ivana PAHOLETA in somentorstvom red. prof. dr. Zorana RENA; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 22. 09. 2011 Podpis: - III -
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Ivanu PAHOLETU in somentorju red. prof. dr. Zoranu RENU za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Iskrena hvala tudi podjetju Turna d.o.o. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij, me spodbujali in verjeli vame. - IV -
IZDELAVA VZMETI D3,2 ETB2-6 3S S POSTOPKI PREOBLIKOVANJA Ključne besede: vzmet, upogibanje, predelava, izdelava, preoblikovanje, MKE, proizvodnja UDK: 621.791:629.3(043.2) POVZETEK Pomembno vlogo v proizvodnem procesu izdelave tečajev, za vgradnjo v štedilnike in vgradne pečice ima natezna vzmet, brez katere tečaj ne more pravilno delovati. Jeklena vzmet je elastični element, ki je sposoben pod vplivom zunanje obremenitve sprejeti delo in ga po potrebi vrniti v obliki potencialne energije. Navidezno gre za zelo preprost in transparenten izdelek, v ozadju katerega, pa je praktično znanje, ki je poznano osebam, ki se ukvarjajo s proizvodnjo vzmeti, poleg tega pa pri proizvodnji ustvarja stroške, ki jih ni mogoče enostavno upravljati. V diplomski nalogi sem predstavil stroje za obdelovanje in preoblikovanje vzmeti. Stroj je mehanična naprava, ki prenaša ali pretvarja energijo in s tem omogoča, olajšuje ali opravlja delo. Sestavljen je iz več mirujočih in gibajočih se delov. Vzmet sem narisal s 3D programskim paketom in nato obremenjeval v temu primernim programu za simuliranje, kateri je prikazal kritične točke vzmeti. Podal sem tudi analitične izračune, katerih rezultate sem imel v postopku preoblikovanja za robne pogoje. Natezno vzmet sem optimalno preoblikoval in ji s tem podaljšal življenjsko dobo. - V -
MANUFACTURE OF SPRING D3,2 ETB2-6 3S WITH THE FORMING PROCESS Key words: spring, bending, processing, production, transformation, FEM, manufacturing UDK: 621.791:629.3(043.2) ABSTRACT Important role in the production process of manufactoring courses, for installation in stoves and ovens have built-in tension spring, without which the course can not work properly. Steel spring is an elastic element, whose is capable to accept given work under the influence of external loads, and give it back as an potential energy. Apparently, it is a very simple and transparent product, in the background of which, is however, a complex»know-how«, known to the spring manufacturers, in addition, the production creates costs that can not be easily managed. In the tesis i presented the machines, who process and transform springs. The machine is a mechanical device, that transfers or converts energy, thus enabling, facilitating or carrying out work. It consists of several stationary and moving parts. I drew a spring with a 3D software package, and then imputed it in program suitable for simulations, whose showed me weak spots of the spring. I gave the analytical calculations, whose results, I had in the process of transformation for the boundary conditions. I optimized and transformed the spring, to achieve longer life work. - VI -
KAZALO 1 UVOD... 1 1.1. SPLOŠNO PODROČJE DIPLOMSKEGA DELA... 1 1.2. OPREDELITEV PROBLEMA DELA... 1 1.3. STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA... 2 2. PREDSTAVITEV PODJETJA... 3 2.1. PROGRAM IZDELKOV V PODJETJU... 4 2.1.1. MAGNETNA IN NEMAGNETNA TESNILA... 4 2.1.2. TEČAJI ZA KUHALNE APARATE... 4 2.1.3. GRELCI... 5 3. MATERIALI, NORME IN KLASIFIKACIJE... 6 4. VIJAČNE VZMETI IN NORME... 7 4.1. OBDELAVA... 7 4.2. OBLIKE VIJAČNIH VZMETI, KI JIH PROIZVAJAJO AVTOMATSKI STROJI... 8 5. ZAOSTALE NAPETOSTI PRI DEFORMACIJI MATERIALA... 9 5.1. VZROKI ZA POPUSTITEV VZMETI... 10 5.2. PORAZDELITEV ZAOSTALIH NAPETOSTI IN STABILIZACIJA OBLIKE VZMETI... 11 5.3. KRITERIJI ZA OCENITEV TRAJANJA VZMETI... 11 5.4. ORIENTACIJSKI KRITERIJI ZA RAZREDE DELOVANJA... 12 6. TERMIČNA OBDELAVA VZMETI... 13 6.1. ČAS SEGRETJA... 13 6.2. POTEK TOPLOTE IZ POVRŠINE DO SREDIŠČA PREREZA ŽIC IN TRAKOV ZA VZMETI... 13 6.3. PREIZKUS ZA POTRDITEV DIMENZIJ... 15 7. PEČI ZA TOPLOTNO OBDELAVO ZA STABILIZACIJO... 16 7.1. KOMORNA PEČ... 16 7.2. PEČ S PREMIČNIM TRANSPORTNIM TRAKOM... 17 8. STROJI ZA IZDELAVO VZMETI... 19 8.1. NAVIJALNI STROJI... 19 - VII -
8.1.1. MEHANSKI NAVIJALNI STROJ... 19 8.1.2. NAVIJALNI STROJ CNC... 20 8.2. STROJI ZA NAVIJANJE... 23 8.2.1. MEHANSKI STROJ ZA NAVIJANJE... 23 8.2.2. CNC STROJI ZA NAVIJANJE Z 8 DRSNIKI... 24 8.2.3. UNIVERZALNI STROJ ZA NAVIJANJE... 26 8.3. PROCES MIKROKOVANJA POVRŠINE VZMETI... 27 8.3.1. POSTOPEK MIKROKOVANJA VZMETI... 27 8.3.2. MERJENJE INTENZIVNOSTI MIKROKOVANJA... 28 8.3.3. OCENJEVALNI PREIZKUS... 28 8.3.4. DELOVNA POSTAJA... 29 9. PROGRAM»SOLIDWORKS«IN»ABAQUS CAE«:... 30 9.1.»DASSAULT SYSTÈMES SOLIDWORKS«... 30 9.2.»SIMULIA ABAQUS FEA«... 31 10. PREOBLIKOVANJE VZMETI D3,2 ETB2-6 3S... 32 10.1. TRDNOSTNI PRERAČUN VIJAČNIH VZMETI... 33 10.2. STATIČNA OBREMENITEV VZMETI... 35 10.3. IZDELAVA VZMETI V PROGRAMU»SOLIDWORKS«... 36 10.4. PRERAČUN VZMETI V PROGRAMU»ABAQUS CAE«... 39 11. SKLEP... 43 12 SEZNAM UPORABLENE LITERATURE... 44 13 PRILOGE... 45 - VIII -
KAZALO SLIK Slika 2.1: Magnetno tesnilo [20]... 4 Slika 2.2: Primer enoosnega in odmičnega tečaja [20]... 4 Slika 2.3: Žlebasti»perlani«grelec [20]... 5 Slika 4.1: Različne konstrukcijske izvedbe vzmeti [24]... 8 slika 5.1 Primer prisotnosti zaostalih napetosti deformacije [22]... 9 Slika 5.2 Potek deformacije [22]... 10 Slika 7.1: Komorna peč z izvoznim vozičkom [7]... 17 Slika 7.2: Tunelska peč s transportnim trakom [7]... 18 Slika 8.1: Navijalni stroj za vzmeti [9]... 19 Slika 8.2: Mehanski navijalni stroj [22]... 20 Slika 8.3: CNC navijalni stroj [9]... 21 Slika 8.4: Primer 2-osnega CNC navijalnega stroja [9]... 22 Slika 8.5: Primer 4-osnega CNC navijalnega stroja [9]... 23 Slika 8.6: Stroj za navijanje in upogibanje z 2-8 osmi [10]... 24 Slika 8.7: CNC Stroj za navijanje [9]... 25 Slika 8.8: Univerzalni stroj za navijanje (upogibalni stroj) [9]... 26 Slika 8.9: Primeri mikrokovanih površin vzmeti [22]... 27 Slika 8.10: Ploščica, s pritrjenim preizkusnim vzorcem [22]... 28 Slika 8.11: Graf odvisnosti intenzivnosti od časa [22]... 29 Slika 8.12: Peskalni stroj s transportnim trakom [6]... 29 Slika 9.1: Okno»SolidWorks«[3]... 30 Slika 9.2. Okno Abaqus CAE [11]... 31 Slika 10.1: Vzmet D3,2 ETB2-6 3S... 32 Slika 10.2: Zahteve za vzmet D3,2... 32 Slika 10.3: Razmere pri obremenitvi hladno oblikovane natezne vijačne vzmeti [24]... 34 - IX -
Slika 10.4: Obremenitev vijačne vzmeti [24]... 35 Slika 10.5: Notranji premer kljuke upogibnega prehodnega dela [10]... 36 Slika 10.6: Srednji premeri zavoja ušesa pred in po preoblikovanju... 37 Slika 10.7: Iztek ušesa 3D modela vzmeti [3]... 37 Slika 10.8: Iztek ušesa vzmeti [3]... 38 Slika 10.9: Vzmet (levo) pred in (desno) po modeliranju [3]... 38 Slika 10.10: Podpore in obremenitve računalniškega modela vzmeti [12]... 40 Slika 10.11: Mreža vzmeti [12]... 40 Slika 10.12: Prikaz skupnih pomikov vzmeti po obremenitvi [12]... 41 Slika 10.13: Prikaz Von Misesovih primerjalnih napetosti vzmeti [12]... 41 Slika 10.14: Prikaz strižnih primerjalnih napetosti v smeri XY na vzmeti [12]... 42 Slika 10.15: Pogled vzmeti v prerezu [12]... 42 KAZALO TABEL Tabela 3.1: Razredi materialov [10]... 6 Tabela 4.1: Standardi nateznih in tlačnih vzmeti [22]... 7 Tabela 6.1: Srednji časi za prodiranje [10]... 14 Tabela 6.2: Ustrezne barve [10]... 14 Tabela 6.3: Teoretični minimalni čas stabilizacije vzmeti v peči s transportnim trakom [10]. 14 Tabela 8.1: Servo motorji [22]... 25 Tabela 10.1: Natezna trdnost jekla DIN 17223-1 [8]... 36 Tabela 10.2: Materialne lastnosti jekla... 39 Tabela 10.3: Podatki o mreži [12]... 40 - X -
UPORABLJENI SIMBOLI 2C/Co - koeficient dušenja (Damping Coefficient) E - modul elastičnosti (Youngs Modulus) G - strižni modul (Shear Modulus) g - gram HRc - trdota po Rockwellu k - toplotna prevodnost To - referenčna temperatura v - Poissonovo število C - stopinje Celzija - stopinja % - procent ɑ - koeficient temperaturne razteznosti ρ - gostota - XI -
UPORABLJENE KRATICE CAD - Computer Aided Design Cal - kalorije Cp - specifična toplota CSP - Statstic Process Control (SPC) CNC - computer numeric control d.d. - delniška družba d.o.o. - družba z omejeno odgovornostjo dm - decimeter FEA - Finite Element Analysis FEM - Finite Element Method FS - Fakulteta za strojništvo ISO - International Organisation for Standardization kg - kilogram Kw - kilovat MKE - Metoda končnih Elementov mm - milimeter Rm - natezna trdnost (Tension Limit Stress) Rmt - tlačna trdnost (Compression Limit Stress) Rp - Napetost tečenja Sm - strižna trdnost (Shear Limit Stress) S.r.o. - Samo-regulativna organizacija SIST - Slovenski inštitut za standardizacijo - XII -
1 UVOD 1.1. Splošno področje diplomskega dela Strožje zahteve in pritiski na znižanje cen s strani kupcev postavljajo proizvodna podjetja v težak položaj. Postajati morajo vse bolj konkurenčna in ekonomično porabljati kapital za iskanje ter uresničevanje strateških prednosti, ki jih prinaša razvoj poslovnega področja. Spremembe v gospodarstvu in razvoj tehnologije podjetja nenehno silijo v izvajanje optimizacije poslovnih procesov, kjer je hitra odzivnost na spremembe ključnega pomena. Za plastično deformacijo kovinskih surovcev ali polizdelkov so potrebni preoblikovalni stroji, ki se med seboj razlikujejo po konstrukciji, načinu delovanja, vrsti pogona in podobno. Naloge obdelovalnih strojev so omogočiti ustrezno relativno gibanje med posameznimi deli orodja in obdelovancem, zagotoviti potrebne sile, momente in energijo ter prevzeti medsebojno vodenje aktivnih delov orodja. Pri tem lahko stroj dela intermitirajoče ali kontinuirano. Splošno področje se opredeljuje na proizvodno naravnan proces v podjetju, ki razvija različne vrste vzmeti s pomočjo preoblikovalnih in obdelovalnih strojev. Diplomska naloga se tako osredotoča na projekt preoblikovanja specifične vrste nateznih vzmeti, katere se vstavljajo v tečaje, namenjene za vgradnjo v štedilnike in vgradne pečice. Razlog za preoblikovanje vzmeti je podaljšanje njihove življenjske dobe, saj se lahko le tako doseže cilj, ki je garancija izdelka. 1.2. Opredelitev problema dela prikaže že izdelano vzmet, katera je ključni sestavni del tečaja, za vgradnjo v pečice in štedilnike. Delo se osredotoča na preoblikovanje vzmeti in vrsto strojev, s katerimi se vzmet izdeluje, preoblikuje in površinsko utrjuje. Cilj diplomske naloge je analizirati in preoblikovati obstoječe vzmeti s še vedno ergonomično izdelavo, vendar z daljšo obstojnostjo, prav tako pa spoznati stroje, potrebne za njihovo izdelavo. - 1 -
1.3. Struktura diplomskega dela Uvodno poglavje diplomske naloge opredeljuje splošno področje diplomskega dela in opredelitev problema dela. Sledi struktura diplomskega dela. Drugo poglavje je namenjeno kratkemu opisu podjetja Turna d.o.o.; programu izdelkov. Tretje poglavje opisuje materiale žic, kjer so podane norme in klasifikacije. Četrto poglavje govori o zaostalih napetostih, ki se pojavijo pri deformaciji materiala. V petem poglavju je opisana temperatura in stabilizacija vzmeti, prav tako vpliv temperature na vzmet. Šesto poglavje je namenjeno učinku toplotne obdelave na vzmeti iz nelegiranega jelka in iz nerjaveče žice. V sedmem poglavju so opisane peči za toplotno obdelavo in stabilizacijo vzmeti. Osmo poglavje je namenjeno mehanskim in elektronskim strojem za izdelavo vzmeti. V devetem poglavju sta podana opisa programov»solidworks«in»abaqus CAE«. Deseto poglavje je osredotočeno na analitični preračun, simulacijo in preoblikovanje vzmeti. Enajsto poglavje prinaša sklep diplomskega dela. Na koncu sledi še seznam uporabljenih virov in literature. - 2 -
2. PREDSTAVITEV PODJETJA Turna d.o.o. je mlado podjetje, ustanovljeno leta 2007. Njegovi primarni dejavnosti sta razvoj in proizvodnja vgradnih komponent bele tehnike, ki ju nadaljuje na dolgoletni tradiciji tovrstne dejavnosti v svojem prostoru. Proizvodi podjetja so magnetna tesnila za hladilnozamrzovalne aparate, tečaji za kuhalne aparate ter žlebasti»perlani«grelci za vgradnjo v pečice štedilnikov za gospodinjstva. Turna d.o.o. je razvojni partner in dobavitelj Gorenja d.d. ter mnogih drugih proizvajalcev bele tehnike v Evropi. Danes Turna d.o.o. v lastnih prostorih v Velenju zaposluje preko 150 sodelavcev, katerih dobršen delež predstavljajo invalidi. V podjetju se združujejo številne odlike, kot so znanje, fleksibilnost in čut za solidarnost do zaposlenih. Podjetje nudi zaposlenim ustvarjalno delovno okolje, ki je odlična osnova za uspešen razvoj. Vizija Turne d.o.o. je zagotoviti dolgoročno rast podjetja in biti zanesljiv dobavitelj kakovostnih izdelkov proizvodnega programa ob istočasnem zadovoljstvu kupcev, lastnikov in zaposlenih. Partnerji podjetja Turna d.o.o.: Gorenje d.d.; Liebherr Group; Mahle Filtersysteme GmbH; Bira d.d.; Končar-KA d.d.; Mora Moravia S.R.O.; - 3 -
2.1. Program izdelkov v podjetju 2.1.1. Magnetna in nemagnetna tesnila Za preprečevanje vdora toplega okoliškega zraka v hladilno-zamrzovalni aparat je potrebno tesnjenje med ohišjem in vrati. Takšno tesnjenje dosežemo z magnetnimi tesnili. Njihova funkcija je izolacija nižje temperature hladilno-zamrzovalnega aparata od višje temperature okolice. Slika 2.1: Magnetno tesnilo [20] 2.1.2. Tečaji za kuhalne aparate Podjetje serijsko proizvaja tečaje, ki so namenjeni za vgradnjo v štedilnike in vgradne pečice. Vsi kovinski sestavni deli so površinsko zaščiteni, dostopni deli tečaja pa so brez ostrih robov. Podjetje izdeluje dva tipa tečajev: enoosni tečaji; odmični tečaji. Slika 2.2: Primer enoosnega in odmičnega tečaja [20] - 4 -
2.1.3. Grelci Žlebasti»perlani«grelci so namenjeni serijski vgradnji v pečice štedilnikov za gospodinjstva. Nizka specifična obremenitev grelne spirale zagotavlja dolgo življenjsko dobo in enakomerno porazdelitev toplote. Grelno spiralo po vsej dolžini izolirajo s keramičnimi obročki»perle«, ti so nato položeni v vzdolžno narebričen žleb iz pločevine, platirane z aluminijem. Grelci so okolju prijazni in enostavni za recikliranje. Slika 2.3: Žlebasti»perlani«grelec [20] - 5 -
3. MATERIALI, NORME IN KLASIFIKACIJE Tabela 3.1: Razredi materialov [10] Surova žica UNI 3823 razredi B C D (primer: C72 C85 C98) norma ni več veljavna razredi SL SN SH (podobni razredom B C D) Patentirana žica UNI EN 10270-1 razreda DN DH (za vzmeti, ki so izpostavljene skoraj statični ali povprečni dinamični Žica, predhodno kaljena v olju Žica iz nerjavnega jekla UNI EN 10270-2 UNI EN 10270-3 obremenitvi) razredi FDC FDCrV FDSiCr (za vzmeti s statičnimi bremeni) razredi TDC TDCrV TDSiCr (za vzmeti s skoraj statičnimi ali povprečnimi dinamičnimi bremeni) razredi VDC VDCrV VDSiCr (za vzmeti z dinamičnim bremenom z visoko frekvenco) razredi 1.4310 X10 CrNi 18-8 1.4401 X5 CrNiNo 17-12 2 1.4568 X7 CrNiAl 17 7 Surovi in žarjeni trak UNI EN 10132-4 razredi C55S, C60S, C75S, C85S, C90S, C100S, C125S, 48Si7, 56Si7, 51CrV4, 80CrV2, 75Ni8, 125Cr2, 102Cr6 Če se med toplotno obdelavo 16 mm valjane žice ali med postanki in premiki pojavijo razjedenost oz. površinske zareze v dolžini 10 mm, se bo med postopkom vlečenja, ki je namenjen doseganju 1 mm premera, ta površinska pomanjkljivost podaljšala na 2,56 m. Vnosi ter porazdelitve litja brez vsebnosti kovine so veliko manjših dimenzij in lahko povzročijo mikroskopske pomanjkljivosti. Nevarnost teh pomanjkljivosti za delovanje vzmeti pod visoko obremenitvijo je možno določiti samo z destruktivnimi preizkusi za vsak primer posebej. Te mikroskopske pomanjkljivosti so le redko vzrok zlomu normalne vzmeti pri statičnem delovanju (manj kot 10 ciklov/dan), skoraj statičnem delovanju (manj kot 100 ciklov/uro) in z obremenitvijo znotraj varnostnih meja. - 6 -
4. VIJAČNE VZMETI IN NORME Tabela 4.1: Standardi nateznih in tlačnih vzmeti [22] stiskanje UNI EN 13906 1 ISO 2162 1 2-3 vlečenje UNI EN 13906 2 Norme ISO o vzmeteh navijanje UNI EN 13906 3 so vse v obnovi od 2003 od ISO 227CT Tolerance torzijske vzmeti UNI EN 15800/2009 V tabeli 4.1 so prikazani standardi vijačnih valjastih vzmeti iz okrogle žice in palic. 4.1. Obdelava Hladno obdelane vzmeti: - z žicami razredov UNI EN 10270 (žice s srednje visoko odpornostjo) premera od 10 mm do 14 mm; - z žarjenimi ali modro kaljenimi trakovi; po oblikovanju gredo vse te žice v toplotno obdelavo; za stabilizacijo, ki odstrani zaostale napetosti, katere povzročijo spremembo oblike, imenovano žarjenje za odpravo napetosti (UNI 3354-70/2.2.2.3.1); - z žarjenimi žicami premera 12 mm in utrjenimi žicami (kaljenje) po oblikovanju vzmeti; - z žarjenimi in utrjenimi trakovi (kaljenje) po oblikovanju vzmeti. Za te vzmeti je predvidena v glavnem obdelava v obliki izotermičnega kaljenja (UNI 3354-70/8.2.2). - 7 -
Toplotno obdelane vzmeti: i Z drogovi in ploščami velikih dimenzij, ki se segrevajo na temperaturi avstenitnega območja, se s toplotno obdelavo deformirajo ter tako oblikujejo velike vzmeti. Vzmet je potrebno nato še utrditi. Običajno poteka utrjevanje takoj po oblikovanju in vzmet ponovno preide na temperaturo avstenitnega območja, ki je potrebna za utrjevanje (UNI 3354-70, poglavje 3 in 4). 4.2. Oblike vijačnih vzmeti, ki jih proizvajajo avtomatski stroji Slika 4.1: Različne konstrukcijske izvedbe vzmeti [24] - 8 -
5. ZAOSTALE NAPETOSTI PRI DEFORMACIJI MATERIALA Zaostale napetosti predstavljajo stalno stanje napetosti v konstrukciji, za katerega velja statično ravnotežje in je neodvisno od zunanje obtežbe. Zaostale napetosti se v konstrukciji pojavijo zaradi procesov izdelave: valjanje, rezanje, varjenje in ali zaradi slabega naleganja med elementi ali delne plastifikacije konstrukcije. Te napetosti ostajajo v telesu, ko so nanje prenehale delovati obremenitve (zunanje sile, padec toplote). Ostajajo vzdolž preseka komponente tudi brez zunanjega vpliva. Nastanejo zaradi različnih vzrokov, na primer neprožnih deformacij ali toplotne obdelave. Opis plastične deformacije pri navijanju in upogibanju za oblikovanje vzmeti: slika 5.1 Primer prisotnosti zaostalih napetosti deformacije [22] Slika A prikazuje pojav deformacije pri upogibanju, pri čemer je plastična deformacija prisotna zlasti na zunanji strani krivulje žice. Slika B prikazuje pojav deformacije pri torziji, pri čemer je plastična deformacija prisotna zlasti na celotni zunanji površini okroglega predela žice. Vijačno ovijanje povzroča kombinacijo deformacije pri torziji in upogibanju z neenakomerno porazdelitvijo obremenitve. - 9 -
Slika 5.2 Potek deformacije [22] Vezljivost molekul kovine se upira sili, ki jih poskuša ločiti. Plastična deformacija (meja plastičnosti) se pojavi samo na površinskih molekulah, ki so izpostavljene največji znosni napetosti. Površinska plast molekul, s ponovno uravnoteženo vezljivostjo v novi legi, blokira povrnitev podrejenih sil, ki so ostale pod mejo elastičnosti. Te ujete sile se imenujejo zaostale napetosti (slika 5.2). 5.1. Vzroki za popustitev vzmeti Popustitev vzmeti je skoraj vedno določena z zarezo ali s površinskimi vrezi žice, nastalimi pri obdelavi. Iz vzmeti je potrebno odstraniti zaostale notranje napetosti, ki se postopoma zmanjšujejo proti nični točki in so usmerjene v določeno smer, ker lahko obdelava v obliki navijanja ali upogibanja vzmeti v notranjosti materiala povzroči kombinacije sil, ki negativno vplivajo na delovanje ali trajanje vzmeti. Do zloma žice zaradi preobremenitve pride zaradi morebitnih zaostalih napetosti, ki so ujete med molekulami kovine; k njim je prišteta napetost znotraj meje elastičnosti, ki izhaja iz delovanja vzmeti. Na tej točki kovine se spremeni energija v mikroskopsko količino toplote, in sicer pod pogojem, da je energija višja od meje elastičnosti. Frekvenca ciklov vzmeti lahko ustvari količino nakopičene toplotne energije, ki lahko spremeni metalurško strukturo in ravnotežje notranjih napetosti. To sčasoma vodi do zloma, katerega začetek je v notranjosti prereza žice. - 10 -
Površinska plast žice za vzmeti je najbolj izpostavljen del pri oblikovanju in vpliva na delovanje same vzmeti. Vsaka vidna zareza ali vrezi, nastali na površini med postopkom obdelave, vplivajo na trdnost materiala in zmanjšajo trajanje vzmeti, saj povzročijo zlom, ki se začne na zunanjem robu prereza žice. 5.2. Porazdelitev zaostalih napetosti in stabilizacija oblike vzmeti Podjetje za proizvodnjo vzmeti preoblikuje kovinsko žico ali trak v vzmet s plastičnim deformiranjem pri upogibanju in navijanju, napetosti ostanejo pod mejo zloma pri vlečenju in navijanju. Po oblikovanju vzmeti je potrebno stabilizirati nastalo obliko žice ali traku s toplotno obdelavo pri nizki temperaturi. Ko se kovinskemu predmetu, ki se ga namenoma oblikuje v želeno obliko, doda toplotna energija pri določeni temperaturi, pride do strukturne obremenitve, ki odstrani večino zaostalih napetosti v notranjosti kovine in pozitivno vpliva na uravnoteženo porazdelitev napetosti, ki so nakopičene v določenih območjih prereza žice, ter zagotovi stabilizacijo oblike z novim ravnotežjem notranjih napetosti. 5.3. Kriteriji za ocenitev trajanja vzmeti Za vzmeti, ki so izdelane iz jeklenih žic za vzmeti oz. iz kaljenih ali surovih jeklenih trakov za vzmeti, je način dnevnega delovanja določen s povprečnim številom dnevnih ciklov za celotno predvideno trajanje. Zahteve glede delovanja ali stroški zamenjave določajo morebitno potrebo po ocenitvi možnosti, da vzmet lahko prekorači prag garancije neskončnega trajanja. - 11 -
. 5.4. Orientacijski kriteriji za razrede delovanja Vzmet razreda "statična" ustreza povprečju manj kot 24 ciklov/dan (približno 1 cikel/uro). Vzmet razreda "skoraj statična" ustreza povprečju manj kot 500 ciklov/dan (1 cikel/minuto). Vzmet razreda "dinamična" ustreza povprečju več kot 500 ciklov/dan (maksimalno 60 ciklov/minuto, 3600 ciklov/uro). Nad približno 3600 ciklov/uro preidemo v območje delovanja vzmeti z visokimi frekvencami. Za dinamično delovanje pri višjih frekvencah mora predpisan ali izbran material ustrezati tovrstni uporabi, predpisan pa mu mora biti dinamičen preizkus trajanja za oceno ustreznosti načrta in materiala. Predpis o trajanju vzmeti je omejen na pojasnilo o pragu garancije, ki določa, da je trajanje vzmeti, načrtovane znotraj mej obremenitve materiala, neomejeno, če izključimo pomembne pomanjkljivosti žice. Prag garancije temelji na številu ciklov, ki ga je potrebno prekoračiti z nedestruktivnim preizkusom, ki simulira območje obremenitve pri delovanju vzmeti, in sicer z namenom ugotoviti, če razred materiala ustreza predvidenim pogojem delovanja. Za vse modele vzmeti razredov uporabe»b«in»c«je potrebno prag garancije izbrati med 10 4 in 10 5 cikli. Prag garancije 10 6 in 10 7 ciklov se uporabi samo pri vzmeteh, ki so izpostavljene zelo visokim frekvencam ali pa imajo široko območje obremenitve (UNI EN 13906-1/2003). Predpis preizkusa trajanja vzmeti zahteva v fazi načrtovanja in preizkušanja daljši preizkus za zagotovitev, da je načrt vzmeti ustrezen in da je z ustreznim materialom trajanje vzmeti nad 10 7 cikli, ter da je pri delovanju preko te vrednosti po Wöhlerjevi krivulji možnost zloma skoraj nična. S tem preizkusom bi se morebiten zlom zaradi obremenitve pojavil pri času in številu ciklov, ki so sprejemljivi za zahteve glede uporabe vzmeti. - 12 -
6. TERMIČNA OBDELAVA VZMETI 6.1. Čas segretja Čas segrevanja vzmeti je odvisen od: -a) hitrosti prodiranja toplote do središča prereza žice (koeficient toplotne prevodnosti) ; -b) površine, ki je izpostavljena masi, ki jo je potrebno segreti; -c) mase toplega zraka, ki se prenaša, podano v minutah in v sekundah, na vzmeti. Segrevanje vzmeti se zgodi hkrati zaradi: konvekcije sevanja prevodnosti pihanje zraka; neposredna projekcija; stik kovine s kovino. Vsak izmed teh prenosnikov toplote ima različno "prevodnost" glede na gostoto snovi, iz katere je sestavljen. [2] V ogrevni celici v peči dobiva vzmet neprestano toploto, vendar je količina te v najbolj izpostavljenih delih različna, torej se ti deli različno segrevajo. To zahteva poravnavo, širjenje toplote, dokler se ne vzpostavi enakomerno segrevanje celotne količine vzmeti, ki so izpostavljene obdelavi. 6.2. Potek toplote iz površine do središča prereza žic in trakov za vzmeti Celoten čas segrevanja in poravnave v peči za vzorčno paličico ali posamezno vzmet, ki ni zložena ali postavljena nad druge vzmeti, je načelno določen tako, da ni nižji od dveh minut za nelegirana in legirana jekla ter ni nižji od treh minut za nerjavno jeklo, pri čemer se ta čas začne pri premeru, nižjem od 0,5 milimetra. - 13 -
Tabela 6.1: Srednji časi za prodiranje [10] Vrsta jekla Minut/mm nelegirano jeklo >0,7+1,0 legirano jeklo >1,0+1,5 nerjaveče jeklo >1,5+2,0 Tabela 6.2: Ustrezne barve [10] Barva Temperatura C Rumena 220 C Rjava 250 C Vijolična 280 C Modra 300 C Sivo-modra 330 C Površina kovine, ki se jo obdeluje pri nizkih temperaturah, dobi enotno barvo, ki ustreza temperaturi obdelave, ko se celotna kovina segreva enakomerno. Ko dobijo vsi kovinski predmeti v peči enako barvo, pomeni, da so dosegli enako temperaturo (tabela 6.2). Ko dosežejo vzmeti enakomerno segrevanje pri določeni temperaturi, se preostala tveganja, ustrezna za to temperaturo, porazgubijo in cikel stabilizacije je zaključen. Tabela 6.3: Teoretični minimalni čas stabilizacije vzmeti v peči s transportnim trakom [10] Premer žice čas minute < 0,50 < 0,75 < 1,0 < 1,3 < 1,5 < 1,75 < 2,0 < 2,25 <2,6 <3,0 < 3,5 < 4,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0-14 -
Časi toplotne obdelave predvideni za izračun stroškov opravila so odvisni od oblike vzmeti in jih je potrebno prilagajati za vsak posamezen primer posebej. Časi obdelave za odstranitev zaostalih napetosti morajo biti sorazmerni glede na izkušnje in frekvenco ciklov delovanja vzmeti. 6.3. Preizkus za potrditev dimenzij Stabilizacija s pomočjo toplote pri nizkih temperaturah se imenuje žarjenje za odpravo napetosti (UNI EU 52/1987, točka 2.2.2.3.1), ker povrne kovino v strukturno ravnotežje. Modro žarjenje (UNI EU 52/1987, točka 2.3.1.3) za vzmeti, ki so ga izumili že v prvi polovici prejšnjega stoletja, je naknadno žarjenje jekla s čisto površino, ki dobi pri temperaturi, katera se bliža 300 C, pri rahlem pihanju zraka bleščečo modro barvo in ne potrebuje temu primerne naprave za merjenje temperature. Količina odstranjenih napetosti ni odvisna od časa, ampak od temperature. Za stabilizacijo vzmeti je potrebno zaradi stroškov uporabiti kar se da visoke temperature v najkrajšem možnem času. Ko se opremljajo naprave za proizvodnjo vzmeti, je potrebno izvesti prvi preizkus za potrditev na vzmeti. Opraviti ga je treba, ko naprava miruje, z namenom preveriti podatke pri delovanju glede na končni rezultat, in odobriti začetek same proizvodnje. Stabilizacijo serije vzmeti je potrebno opraviti takoj po navijanju ali upogibanju v obliko. Z žarjenjem za odpravo napetosti je treba pri nizki temperaturi stabilizirati, namen je odstranitev samo površinskih zaostalih napetosti pri navijanju ali upogibanju žice z minimalnim odmikom od optimalne točke tehnoloških lastnosti materiala (Rm in Rp 0,2). - 15 -
7. PEČI ZA TOPLOTNO OBDELAVO ZA STABILIZACIJO Do segrevanja vzmeti prihaja s prehodom toplote zraka na vzmeti iz ventilatorja, ki poteka v smeri vzmeti. Čas prodiranja je odvisen od razlike v gostoti toplega zraka (1,2 g/dm 3 ) in jekla (7800 g/dm 3 ). Za toplotno obdelavo za stabilizacijo vzmeti se uporabljajo prezračene peči, ki omogočajo izvedbo dveh različnih postopkov: 1. statična stabilizacija mnogih vzmeti, ki so na kupu; 2. neprestana stabilizacija premikajočih se vzmeti. Poraba električne energije prezračenih peči ni odvisna od velikosti ogrevne celice ali od moči upornikov, pač pa od mase vnesene kovine, ki jo je potrebno segreti pri določeni temperaturi, primerni za določeno vrsto peči. Segrevanje predmetov, ki so v peči, je odvisno predvsem od toplote, ki prihaja iz zraka, in električnih upornikov. Prodiranje toplote se lahko pospešuje, če se poveča količina mase toplega zraka, ki poteka proti izpostavljenim vzmetem iz ventilatorja. Do stabilizacije vzmeti pride pri odstranitvi zaostalih napetosti in odstotek odstranjenih napetosti je sorazmeren temperaturi in ne času izpostavljenosti pri določeni temperaturi, medtem ko je enakomernost (kakovost) obdelave odvisna od časa obstoja v peči, in sicer glede na obliko ter izpostavljeno površino vzmeti. Čas toplotne obdelave vzmeti je sorazmeren masi, ki je teža prostorske razsežnosti (volumen) vzmeti (g/dm 3 ) zasedenega prostora. 7.1. Komorna peč Za statično obdelavo vzmeti ima komorna peč (slika 7.1) prezračeno ogrevno celico. V njo se vstavijo posode z vzmetmi tako, da lahko zrak iz ventilatorja kroži med vzmetmi in pospešuje enakomerno segrevanje. Temperatura v notranjosti peči se neprestano kontrolira. Ohranja jo avtomatski elektronski sistem, ki temelji na termoelementu, nastavljenemu na 20 C, z lestvico indikatorja. - 16 -
Termoelement meri razliko med temperaturo v zunanjem prostoru in temperaturo znotraj peči. Temperatura v notranjosti peči mora biti v vseh letnih časih 20 C. Tradicionalni prenos/uro komorne peči je odvisen od prostornine ogrevne celice, izmerjene v dm 3, in od mase kovine, vstavljene v peč, izmerjene v kilogramih, ki se pravilno stabilizira v 60 minutah. V primeru slabo postavljenih in lahkih vzmeti je čas stabilizacije 30 minut. Prenos je sestavljen iz 2 vnosov v peč, in sicer za čas 30 minut. Za izračun prostornine ogrevne celice je potrebno upoštevati prazne prostore med posodami, ki so nameščene ena nad drugo. Na realni prenos vsake peči vplivajo tudi oblika in porazdelitev upornikov, masa toplotnih odpornikov, ventilator in neprevodnost. Dodatni parameter za te vrste peči je prenos/uro v kg/kw. 10 kilovatna peč lahko v 60 minutah stabilizira maksimalno 30 kg vzmeti in bo imela prenos 3 kg/kw. Slika 7.1: Komorna peč z izvoznim vozičkom [7] 7.2. Peč s premičnim transportnim trakom Ta peč se uporablja za obdelavo v liniji določene količine vzmeti, ki se neprestano premikajo, v prezračeni ogrevni celici peči. Čas stabilizacije za te peči se spreminja in je sorazmeren s premerom žice vzmeti ter težo vzmeti, ki se premikajo na transportnem traku peči. Količina vzmeti, ki se premikajo v peči, je odvisna od hitrosti proizvodnje stroja, s katerim je povezana peč, in od površine transportnega traka peči, izražene v mm 2. Prenos peči s transportnim trakom se meri v g/mm 2 na traku, ki je 90 % pokrit z vzmetmi, in v času, ki je predviden za ta premer žice. Normalni prenos transportnega traka je (0,025-0,035 g/mm 2 ) 250-350 g/dm 2. Izračun bremena vzmeti na transportnem traku se začne s proizvodnjo - 17 -
vzmeti/minuto stroja, ki je priključen na peč, in določitvijo minut za trajanje toplotne obdelave. Obeh stalnih vrednosti ni mogoče spreminjati. Na podlagi premera žice in določitve časa obstoja vzmeti v peči (v minutah) je potrebno proizvodnjo pomnožiti s časom in dobljena bo tako količina kakor tudi celotna teža vzmeti, ki so neprestano na premičnem transportnem traku. Če je barva vzmeti, ki prihajajo iz peči, nepravilna, pomeni, da dolžina peči ni primerna za to hitrost proizvodnje (slika 7.2). Slika 7.2: Tunelska peč s transportnim trakom [7] - 18 -
8. STROJI ZA IZDELAVO VZMETI 8.1. Navijalni stroji Funkcije navijalnega stroja so dovajanje žice, zunanji premer navijanja, oblika zavojev in rez. Pritisk valjev na žico je pomemben, ker mora preprečiti drsenje in popolnoma zmanjšati stiskanje (ovalno oblikovanje) žice, ker to povzroča povečanje dolžine ter vnos zaostalih napetosti (slika 8.1). 8.1.1. Mehanski navijalni stroj Slika 8.1: Navijalni stroj za vzmeti [9] Opremljen je z avtomatskim elektronskim navijalcem in avtomatsko elektronsko enoto za meritev-izbiro-popravek (slika 8.2). Mehanski navijalni stroj deluje na podlagi 360 obratov enote gredi ekscentrov, ki programira število obratov valjev za dovajanje žice, delovanje klina, morebitno gibanje navijalcev za spreminjanje premera zavoja, blokiranje žice in reza. Gred ekscentra vpliva na mehanizem, ki določa količino dovajane žice. Poleg tega sta prisotni še dve skupini vzvodov, ki popravljata hitrost drsnikov za držala za orodje. Oprema stroja beleži medsebojno odvisnost ekscentrov, ki so na enoti gred-ekscentri, ki krmilijo vsa ta gibanja pri vsakem obratu gredi. Preizkus za potrditev preizkusne vzmeti - 19 -
vključuje vselej obdelavo v peči in kontrolo dimenzioniranja ter elastičnosti za odobritev začetka proizvodnje. Vključuje tudi brušenje ravne površine. Vsak nadaljnji morebiten popravek lege ekscentra zahteva poravnavo medsebojne odvisnosti sistema in porabi čas, ki se giblje med 0,75 ure do 1,5 ure. Mehanizem in vzvodi, ki so določeni z obrabo celotnega mehanskega kompleksa stroja, povzročajo težave pri ohranjevanju toleranc pri delovanju. Uporaba avtomatskega sistema meritev-izbira-popravek na mehanskem stroju otežuje dejavnosti natančne postavitve in podaljša čas opremljanja ter odobritve začetka proizvodnje vsaj za 1 uro. Zlasti popravek dolžine mora biti izveden zelo natančno, ker povzroča spremembe in ukinja veljavnost statističnih kontrol. Slika 8.2: Mehanski navijalni stroj [22] 8.1.2. Navijalni stroj CNC Opremljen je z avtomatskim elektronskim navijalcem, brezkontaktnim merilnikom, zbiralnikom in avtomatskim elektronskim korektorjem.»opcija«, naprava za 100 % obdelavo kontrol za CSP. Uporaba avtomatske enote za izbiro-popravek vpelje spremembe in razveljavi verjetnostno vrednost v avtomatski statistični kontroli s Cp in Cpk. - 20 -
Slika 8.3: CNC navijalni stroj [9] Navijalni stroj CNC (slika 8.3) je lahko na 2 osi, 4 osi, 8 osi, ki jih kontrolira in upravlja računalnik. Z dvema servomotorjema je priključen na samostojen mehanski sistem na ekscentre z valji za dovajanje žice. S štirimi servomotorji je povezan en sam ekscenter, za spreminjanje zunanjega premera vzmeti. Hitrost in čas posredovanja vsakega motorja lahko spreminjamo po želji s pritiskom tipk računalnika, pri čemer je čas nastavljanja minimalen, ker koordinacijo medsebojne odvisnosti avtomatsko izvaja in kontrolira računalnik. - 21 -
Pri dveh oseh (slika 8.4) zahteva vsak morebitni nadaljnji popravek, v kolikor hoče spremembo lege ekscentra, ponovno prilagoditev medsebojne odvisnosti sistema ekscentrov. Slika 8.4: Primer 2-osnega CNC navijalnega stroja [9] Pri štirih oseh (slika 8.5) vsak nadaljnji popravek upravlja računalnik in ni potrebe po ponovni prilagoditvi. Časi priprave stroja so bolj enostavni kot pri mehanskih strojih. Samo časi priprave pripomočkov za stroj so enaki časom mehanskih strojev. Preizkus za potrditev preizkusne vzmeti, toplotna obdelava, kontrola dimenzioniranja in elastičnosti za odobritev začetka proizvodnje so enaki kot za vzmeti, narejene z mehanskim strojem, vendar je v tem primeru reguliranje lažje. Pripomočki in vodila morajo biti iz trde kovine, kanali navijalcev morajo biti zelo natančni, površine pa se morajo bleščati. Statistične kontrole proizvodnje CSP (SPC Statstic Process Control) - 22 -
Slika 8.5: Primer 4-osnega CNC navijalnega stroja [9] 8.2. Stroji za navijanje Funkcije upogibalnega stroja so izmerjeno dovajanje žice, obračanje osrednjega vodila žice, istočasno gibanje vseh ekscentrov, enota za navijanje in upogibanje, enota za premočrtno gibanje ter obračanje žice. 8.2.1. Mehanski stroj za navijanje Opremljen je z avtomatskim elektronskim navijalcem in samostojno enoto za elektropnevmatsko upogibanje. Stoj za navijanje, tako imenovani upogibalni stroj deluje na podlagi 360 obrata okoli enote gred-ekscenter, ki določa število obratov valjev za dovajanje žice ali posredovanja - 23 -
drsnika za dovajanje žice, premika ekscentra naprej in drsnikov nazaj in morebitnega gibanja enote za navijanje, določitve blokiranja žice in izvedbe reza. Ključna faza pri opremljanju tovrstnih strojev je preventivno raziskovanje poteka gibov in upogibov, ki se porazdelijo po 360 cikla stroja, kar se imenuje»razvoj izdelka«. Slika 8.6: Stroj za navijanje in upogibanje z 2-8 osmi [10] Preizkus za potrditev preizkusne vzmeti s toplotno obdelavo in kontrolo dimenzioniranja ter elastičnosti za odobritev začetka proizvodnje ima spremenljive čase glede na kompleksnost vzmeti in nadzorovanih vzorcev. Za vsak morebiten nadaljnji popravek določene značilnosti vzmeti s premikom pripomočka, posledično za ponovno prilagoditev medsebojne odvisnosti gibov drugih pripomočkov, je potreben čas nad 0,5 ure. Delavec mora paziti na gibanje pripomočkov, ki bi se lahko med seboj stikali in se zlomili, saj lahko zmečkajo ali odrežejo njegove prste, morebitne odlomljene trske pa ga lahko poškodujejo. 8.2.2. CNC stroji za navijanje z 8 drsniki Ti stroji so opremljeni z avtomatskim elektronskim navijalcem, enoto za upogibanje in enoto za drsnike ter se samostojno poganjajo. Prožnost delovanja je prednost teh strojev v primerjavi z mehanskimi, ker voljno izvajajo množične ukaze računalnika. Dovajanje žice lahko poteka v obliki odvijanja in - 24 -
navijanja; odvija se postopoma pri različnih hitrostih. Tudi drsniki se lahko gibajo naprej in nazaj glede na ukaz. Samostojne enote se lahko namestijo po želji na mesto drsnikov. Vsi stroji imajo ročni krmilni volan na impulze za vsako gibanje, predvsem zaradi zaščite osebja. Stoj za navijanje (upogibalni stroj CNC) z več drsniki je lahko na 4 osi in 8 osi, ki jih upravlja ter kontrolira računalnik. Stroj s 4 osmi ima 3 samostojne funkcije in pomožno enoto za motorizirano upogibanje. Drsniki imajo sistem ekscentrov in vzvodov, ki premikajo do 8 drsnikov, ki jih istočasno premika en sam motor. Drugi motor premika valje za dovajanje žice, tretji obrača glavno vodilo žice, četrti motor pripada pomožni enoti za upogibanje in se lahko namesti v kateri koli drsnik. Stroj z 8 osmi ima 3 motorje za delovanje stroja krona ekscentra, valji za dovajanje žice in osrednje vodilo žice. Preostalih 5 pomožnih motorjev predstavljajo 2 enoti za upogibanje in 2 enoti za drsnike; te 4 samostojne enote se lahko namestijo na mesto drsnikov ali v drugo uporabno lego, zadnja os pa je namenjena obračanju žice. Slika 8.7: CNC Stroj za navijanje [9] Tabela 8.1: Servo motorji [22] 4 servo motorji 8 servo motorjev dovajanje žice enota za upogibanje dovajanje žice 2 enoti za upogibanje gibanje drsnika gibanje drsnika 2 enoti za drsnike obračanje vodila obračanje vodila 1 obračanje žice - 25 -
8.2.3. Univerzalni stroj za navijanje Univerzalni CNC stroj (slika 8.8) ima 8 osi in ne potrebuje mehanskega sistema na ekscentre. Osrednja enota za dovajanje žice poseduje neodvisen motor, glave drsnikov X-Y-Z imajo 3 neodvisne motorje. Vrteče se vodilo žice ima svoj motor. En motor istočasno skrbi za gibanje ekscentrov treh spodnjih vertikalnih drsnikov, drugi pa obrača žico in ukaz se nanaša na motor enote za dovajanje ter upogibanje. Glava za dovajanje/upogibanje univerzalnega upogibalnega stroja CNC serije HTC ima 8 osi, gibanje pa poteka v smeri X-Y-Z osi (slika 8.8). Hitrost in čas posredovanja vsakega motorja se lahko spreminjata po želji s pritiskom tipk računalnika, pri čemer je čas nastavljanja minimalen, ker koordinacijo medsebojne odvisnosti opravil avtomatsko izvaja računalnik. Celotna serija elektronskih strojev za vzmeti se je pojavila na evropskem trgu pred 25 leti. Delovanje in hitrost (upravljanje) teh strojev se neprestano izboljšujeta. Slika 8.8: Univerzalni stroj za navijanje (upogibalni stroj) [9] - 26 -
8.3. Proces mikrokovanja površine vzmeti "Mikrokovanje" (Shot peening) je postopek obdelave vzmeti, ki se izvrši po končanem ciklu izdelave vzmeti. S stisnjenim zrakom v turbini, ki se vrti pri visoki hitrosti, se oblikuje curek kroglic. Na splošno stroji za mikrokovanje s stisnjenim zrakom, imenovani tudi peskalniki, uporabljajo steklene delce (kroglice) za obdelovanje nerjavečih materialov in se izjemoma uporabljajo za vzmeti z žico premera manj kot milimeter. Stroji za mikrokovanje vzmeti imajo turbino s centrifugalno silo, ki usmerja kovinske kroglice na vzmeti, ki se vrtijo na gumijastem ali kovinskem traku. Kovinske kroglice so izdelane iz litega železa ali jekla. Za posebne postopke se uporabljajo tudi kroglice iz bakra, aluminija, stekla in plastike. Mikrokovanje povzroča zaostalo napetost stiskanja na površini vzmeti in zaostalo obremenitev nasprotne napetosti v molekulah kovine, ki ni peskana pod njo. V jeklu za vzmeti stisnjena površina, debeline 50 do 100 mikrometrov, lahko poveča površinsko trdoto za približno 3 HRc točke, ki je na preizkusih pokazala približno 20 % povečanje življenjske dobe. J.O. Almen je oblikoval sistem za merjenje intenzivnosti mikrokovanja s "krivuljo nasičenosti", ki se imenuje po njem. 8.3.1. Postopek mikrokovanja vzmeti Kroglice, ki so primerne za vzmeti, so premera 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 mm. Za vzmeti, z žicami manjšimi od 5 mm, se uporablja kroglice, premera 0,4 mm. Za vzmeti, z žicami večjimi kot 5 mm, se uporabljajo kroglice, premera 0,8 mm. Slika 8.9: Primeri mikrokovanih površin vzmeti [22] - 27 -
Intenzivnost ali nasičenost mikrokovanja je odvisna od hitrosti, velikosti, oblike, gostote in trdote kroglic. Pokritost vzmeti, ki je izpostavljena curku, je odvisna od toka kroglic in od tega, kako so razporejene vzmeti med postopkom. Pokritost je ocenjena s prostim očesom. Intenzivnost in pokritost sta odvisni od časa izpostavljenosti, izkušnje pa pokažejo, katera izbira je boljša (slika 8.9). 8.3.2. Merjenje intenzivnosti mikrokovanja Vrednost intenzivnosti se meri v Almen stopinjah tako, da se s komparatorjem izmeri puščico (ali višino) ukrivljenosti preizkusnega vzorca po mikrokovanju. Po njem je potrebno preizkusni vzorec (slika 8.10) pustiti, da se ohladi, nato ga odviti in izmeriti puščico krivulje, ki jo je povzročilo delovanje kroglic na izpostavljeno površino. Slika 8.10: Ploščica, s pritrjenim preizkusnim vzorcem [22] 8.3.3. Ocenjevalni preizkus Intenzivnost mikrokovanja se spreminja s časom izpostavljenosti, kot pokaže krivulja na sliki 8.11. Preko točke Q na krivulji, povečanje časa ne povzroča več znatnega povečanja krivulje preizkusnega vzorca. 1. Čas A = približno 20 minut 2. Čas AB = približno 10 minut 3. Čas BC = približno 10 minut - 28 -
Pri postopku mikrokovanja morata biti navedena količina (masa) vzmeti, ki mora biti naložena v stroj, in čas izvedbe posamezne naložene količine. Po mikrokovanju se vzmeti toplotno obdelajo za stabilizacijo na približno 250 C. Zamenjava kroglic je dolg in težaven postopek, zato se pri vzmeteh raje uporablja samo en tip kroglic za vse vrste vzmeti. Za vzmeti z žicami iz nerjavečega jekla lahko majhni železni kovinski ostanki povzročijo poznejše rje na vzmeti. 8.3.4. Delovna postaja Slika 8.11: Graf odvisnosti intenzivnosti od časa [22] Delovna postaja stroja za mikrokovanje sestavljajo stroj s trakom, prekucni nakladač in filter za prah. Slika 8.12: Peskalni stroj s transportnim trakom [6] - 29 -
9. PROGRAM»SOLIDWORKS«IN»ABAQUS CAE«: 9.1.»Dassault Systèmes SolidWorks«Program je namenjen modeliranju in konstruiranju poljubnih tehničnih ali umetniških oblik. Delo z njim je pri ustvarjanju preprostih oblik relativno zelo enostavno. Programsko orodje zahteva za nemoteno delo ustrezno strojno opremo.»solidworks«(slika 9.1) je program, ki omogoča: 2D ali 3D modeliranje trdnostne izračune vizualizacijo simulacije Slika 9.1: Okno»SolidWorks«[3] - 30 -
9.2.»SIMULIA Abaqus FEAABAQUS je bil prvotno le program za numerične analize po MKE, zato je še danes mogoče datoteke z opisom analize pripraviti kar v običajnem programu za urejanje besedila. Vendar pa takšno delo zahteva precej dobro poznavanje krmilnih ukazov in njihove sintakse. Zato je na voljo programsko orodje ABAQUS CAE, ki omogoča enostavno kreiranje in upravljanje numeričnih modelov. ABAQUS CAE je razdeljen na posamezne module, v katerih na različne načine obravnavamo numeričen model. Tako v posameznem modulu določimo geometrijo, materialne lastnosti ali izdelamo mrežo končnih elementov. S preklapljanjem med posameznimi moduli postopoma izgradimo celoten numeričen model. Prehodi med moduli so enostavni, saj lahko kadarkoli izberemo modul, v katerem želimo delati, ali pa sistem takoj preklopi v določen modul, ko izberemo njegovo funkcijo. Ko je proces izgradnje numeričnega modela končan, se ta zapiše v obliki besedilne datoteke, ki je primerna za obdelavo z osnovnim programom za numerično analizo po MKE. Po izvedeni numerični analizi je v ABAQUS CAE mogoče prikazovati, izpisovati in analizirati rezultate analize.«(slika 9.2) [11] Slika 9.2. Okno Abaqus CAE [11] - 31 -
10. PREOBLIKOVANJE VZMETI D3,2 ETB2-6 3S Vzmet je izdelana iz okrogle vzmetne žice iz nelegiranega jekla (DIN 17223-1). Potrebno jo je bilo preoblikovati, za dosego boljših mehanskih lastnosti. Primera sem se najprej lotil analitično. Postavil sem mejo, do katere dolžine l [mm] (slika 10.2) se vzmet lahko razteza, ne da bi prišlo do mikroskopskih razpok na njeni površini, zaradi katerih lahko pride v nadaljevanju pri utrujanju materiala do zloma. Vzmet sem modeliral v programskem paketu»solidworks«, nato je sledila simulacija numerične analize po MKE, in sicer v programskem paketu»abaqus CAE«. Slika 10.1: Vzmet D3,2 ETB2-6 3S Slika 10.2: Zahteve za vzmet D3,2-32 -
Podatki za vzmet D3,2 ETB2-6 3S: F = 650 N - obremenitev vzmeti; F 0 = 0 N - sila prednapetja vzmeti; D = 14,7 mm - srednji premer ovojev; G = 210000 N/mm 2 - strižni modul gradiva vzmeti I a = 14 - število aktivnih ovojev d = 3,2 mm - premer žice (palice) Rm = 1920 N/mm 2 - natezna trdnost vzmeti Raztezek natezne vijačne vzmeti sem izračunal po enačbi: [24] ( ) ( ) 13 mm (10.1) 10.1. Trdnostni preračun vijačnih vzmeti»trdnostni preračun vijačnih vzmeti (nateznih in tlačnih ter hladno in toplo oblikovanih) je standardiziran po DIN 2089. Obremenitev vzmeti F povzroča v vzmeti vzvojni moment T, ta pa vzvojno napetost τ t «(Zoran Ren, Srečko Glodež; Strojni elementi 1.del, Maribor 2005) (slika 10.3) [11]. = 3746,681 Nmm (10.2) mm 2 (10.3) W t = d 3 /16 = 3,2 3 /16 = 6,434 mm 3 (10.4) - 33 -
Kjer je: T [Nmm] - vzvojni moment vzmeti F[N] - obremenitev vzmeti D [mm] - srednji premer ovojev τ t [N/mm 2 ] - vzvojna napetost vzmeti W t [mm 3 ] - vzvojni odpornostni moment prereza vzmeti d [mm] - premer žice (palice) k t - korektivni napetostni koeficient τ t dop [N/mm 2 ] - dopustna vzvojna napetost Slika 10.3: Razmere pri obremenitvi hladno oblikovane natezne vijačne vzmeti [24] - 34 -
Slika 10.4: Obremenitev vijačne vzmeti [24] Korektivni napetostni koeficient k t upošteva povečanje teoretične vzvojne napetosti zaradi ukrivljenosti ovojev. Dejanska vzvojna napetost je namreč po prerezu žice razporejena nesimetrično in je na notranji ovojev večja kot na zunanji τ tk > τ t, (slika 10.4). Koeficient k t je odvisen od razmerja navitja w = D/d in ga izračunamo po enačbi [24]: k t = = = 1,44 (10.5) 10.2. Statična obremenitev vzmeti Vzmet je obremenjena statično oziroma je število obremenitvenih ciklov v celotni življenjski dobi vzmeti N 10 4. Dopustna vzvojna napetost t tdop za hladno oblikovane vzmeti je [24]; t tdop = 0,45 R m = 0,45 1920 N/mm2 = 864 N/mm 2 (10.6) kjer je R m natezna trdnost gradiva vzmeti (za vzmetno žico po din 17223, tabela 10.1). Zaradi sile prednapetja F 0 (slika 10.3) so hladno oblikovane natezne vijačne vzmeti obremenjene z notranjo vzvojno napetostjo t tn [24]. - 35 -
Pri dinamičnih obremenitvah je potrebno pri dimenzioniranju vzmeti upoštevati določene koncentracije napetosti, ki nastopajo na prehodih med ušesi in telesom vzmeti, ker na trdnostne lastnosti odločilno vpliva oblika koncev vzmeti [24]. Tabela 10.1: Natezna trdnost jekla DIN 17223-1 [8] 10.3. Izdelava vzmeti v programu»solidworks«v podjetju Turna d.o.o., kjer vstavljajo vzmeti v tečaje, izvajajo tudi trajnostne teste teh vzmeti. Ti so pokazali, da so vzmeti najšibkejše v predelu upogibnega prehoda iz ovojev telesa v uho vzmeti. Tako sem se izključno posvetil temu predelu vzmeti. Slika 10.5: Notranji premer kljuke upogibnega prehodnega dela [10] - 36 -
Slika 10.6: Srednji premeri zavoja ušesa pred in po preoblikovanju V programskem paketu»solidworks«sem vzmet (slika 10.7, slika 10.9) modeliral tako, da sem narisal čim večje srednje premere upogibnega prehodnega dela r b in r s. kot je prikazano na sliki 10.5 in sliki 10.6. V standardu DIN EN 13906-2 je zapisano, da mora biti prehod iz aktivnih zavojev v ukrivljeni kavelj vzmeti (uho), kateri je potreben zaradi konstrukcije delovanja vzmeti, izdelan s čim večjimi krivinskimi polmeri za zmanjšanje koncentracij napetosti in tako posledično podaljšanje dobe trajanja vzmeti. Slika 10.7 prikazuje korake izdelave 3D modela. Vzmet sem najprej narisal kot vijačnico s 14 ovoji in ji nato predpostavil homogeno telo. Nato sem se lotil upogibnih polmerov ušesa. Uho sem modeliral tako, da sem jo na eni strani obrnil za 180. Ta izvedba se je na trajnostnih preizkusih izkazala za najboljšo rešitev (slika 10.9). Slika 10.7: Iztek ušesa 3D modela vzmeti [3] - 37 -
Oblika ušesa je običajno standardno uho (slika 10.8). Slika 10.8: Iztek ušesa vzmeti [3] Vzmeti sem dodal dve puši, kot je prikazano na sliki 10.9, kateri sta izdelani iz nelegiranega jekla, katero ni namenjeno za toplotno obdelavo (DIN 1654-2). Puši sem dodal zato, ker se je na praktičnih preizkusih izkazalo, da pri trajnostnih testih vzmet na dotikališču na puši pušča zarezo, katera negativno vpliva na življenjsko dobo vzmeti. To pa zato, ker je naležna površina med pušo in vzmetjo zaradi zareznega učinka večja. Večja naležna površina povzroči dodatne napetosti na ušesu vzmeti. Vzmet sem raztegoval z L 0 = 72mm na mero L 1 = 85mm (slika 10.2). Slika 10.9: Vzmet (levo) pred in (desno) po modeliranju [3] - 38 -
10.4. Preračun vzmeti v programu»abaqus CAE«OPIS PROBLEMA Izvedena je bila računalniška simulacija vzmeti, kot je prikazano na sliki 10.11. Vzmet je vpeta preko dveh puš. Na eni strani je puša nepomično podprta v vseh koordinatnih oseh, podpora v drugi puši pa dopušča, da se ta pomika v smeri raztezka vzmeti za dolžino 13 mm. Vzmet sem obremenjeval s pomikom puše, obremenitev pa se je s kontaktom prenaša na vzmet (glej sliko 10.10). GEOMETRIJA in MATERIALI Vzmet je izdelana iz okrogle vzmetne žice iz nelegiranega jekla (DIN 17223-1) iz standarda za žico DIN 2076, katerega lastnosti so podane v preglednici 10.1 in v preglednici 10.2. Ker med obremenitvijo vzmeti ne sme priti do njene plastične deformacije, se sile napetja vzmeti ne sme preseči, ki znaša F = 650N. Tabela 10.2: Materialne lastnosti jekla Enota Modul elastičnosti E 210000 MPa Poissonovo število v 0,265 - Gostota materiala ρ 7800 kg/m 3 Standard DIN 17223-1 velja za patentirano vlečeno okroglo žico iz nelegiranih jekel, ki se uporablja za izdelavo različnih vzmeti. Pojem»patentiranje«obsega toplotno obdelavo (avstenizacija in hitra ohladitev na temperaturo nad martenzitno točko) in hladno preoblikovanje in vlečenje [8]. PODPORE in OBREMENITVE V model sestave so bile dodane štiri podpore in sicer na površini obeh puš. Te so na sliki označene z rdečo barvo (glej sliko 10.10). Puša pri številki 2 je nepomično vpeta, vse prostorske stopnje so enake nič. Puša pri številki 1 je nepomično podprta v oseh XZ, podpora v smeri osi Y, pa je zaradi raztezanja vzmeti definirana z dopustno dolžino L = 13 mm. Pri simulaciji sem vzmet obremenjeval tako, da je v puši pri številki 1 bil predpostavljen pomik in ne s sila v smeri raztezka vzmeti. Kot sem že omenil v opisu problema, se je obremenitev s pomikom puše prenašala preko kontakta na vzmet. - 39 -
Slika 10.10: Podpore in obremenitve računalniškega modela vzmeti [12] MREŽA KONČNIH ELEMENTOV Velikost mreže igra precej veliko vlogo pri preračunu. Natančnost preračuna je tudi odvisna od gostote mreže. Globalna velikost končnih elementov telesnih zavojev vzmeti je: 0,5 mm. Globalna velikost končnih elementov na prehodu iz aktivnih zavojev v ukrivljeni kavelj vzmeti (uho) je: 0,3 mm. (slika 10.11). V tabeli 10.3 so prikazane lastnosti mreže. Slika 10.11: Mreža vzmeti [12] Tabela 10.3: Podatki o mreži [12] Število vozlišč 98216 Število elementov 382318 Tip elementov C3D4-40 -
POMIKI Skupen pomik vzmeti po obremenitvi je prikazan na sliki 10.12. Najmanjši skupni pomik se pojavi na mestu nepomičnega vpetja, največji pa na mestu konice izteka ušesa vzmeti, to pa zato, ker se ta del za določen odstotek še pomakne, zaradi upogiba in znaša 13,2 mm. Slika 10.12: Prikaz skupnih pomikov vzmeti po obremenitvi [12] NATEZNE NAPETOSTI Potek Von Misesovih napetosti na vzmeti prikazuje slika 10.13. Iz slike je razvidno, da je napetost na notranji strani zavojev, kjer se tudi pojavi največja napetost, večja kot na zunanji. Največja primerjalna napetost pri vzmeti, ki je na spodnji sliki označena s črko A, znaša 1593 MPa. Pri vzmeti, ki je označena s črko B, pa znaša 1562 MPa. Slika 10.13: Prikaz Von Misesovih primerjalnih napetosti vzmeti [12] Primerjava največje primerjalne napetosti z materialnimi lastnostmi pokaže, da je natezna trdnost uporabljenega materiala (tabela 10.1) višja od največje napetosti, ki se pojavi po obremenitvi. Iz tega sledi, da po obremenitvi vzmeti ne bo prišlo do njene plastične deformacije. - 41 -
STRIŽNE NAPETOSTI Potek strižnih napetosti na vzmeti prikazuje slika 10.14. Iz slike 10.15 je razvidno, da je dejanska strižna napetost po prerezu žice razporejena nesimetrično in je na notranji strani ovojev večja kot na zunanji. Največja strižna napetost pri vzmeti, ki je na spodnji sliki označena s črko A, znaša 832,7 MPa. Pri vzmeti, ki je označena z črko B, pa znaša 829,4 MPa. Slika 10.14: Prikaz strižnih primerjalnih napetosti v smeri XY na vzmeti [12] Na sliki 10.14, natančneje v legendi, oznaka»s, S12«predstavlja strižne napetosti v smeri XY koordinatne osi, katere se pojavljajo zaradi torzije. Slika 10.15: Pogled vzmeti v prerezu [12] Za boljši pregled je na zgornji sliki vzmet prikazana v prerezu. Slika prikazuje, da so strižne napetosti največje na površini telesa in padajo proti središču prereza vzmeti. Modro obarvani zavoji ponazarjajo negativno strižno napetost, ker ta deluje v smeri urinega kazalca. Rdeče obarvani zavoji pa ponazarjajo pozitivno strižno napetost, ker ta deluje v nasprotni smeri urinega kazalca (glej sliko 10.15). To je razvidno tudi iz legende na sliki 10.14. - 42 -