Etusivu / Lapin ammattikorkeakoulu - Lapin AMK / Esittely / Ajankohtaista / Uusia menetelmiä terästen tutkimukseen
Blogikirjoitukset

Uusia menetelmiä terästen tutkimukseen

Ruoppa Vierelä Rautio.jpg
17.12.2019 8:00

DI Raimo Ruoppa, Ins. (AMK) Raimo Vierelä ja Ins. (AMK) Päivi Rautio työskentelevät asiantuntijoina Lapin ammattikorkeakoulun Uudistuvan teollisuuden osaamisryhmässä.

Uudistuvan teollisuuden osaamisryhmään kuuluva Arctic Steel and Mining (ASM) tutkimusryhmä tekee työtä terästen konepajakäytettävyyteen liittyvissä hankkeissa sekä tuottaa erilaisia testauspalveluja yhteistyökumppaneille.

Kemissä sijaitsevassa rikkovan aineenkoetuksen laboratoriossa on terästen muovattavuuden testaukseen soveltuvia laitteita kuten Erichsen hydraulinen pullistin sekä GOM Aramis/Argus optinen venymämittausjärjestelmä.

Tutkimusryhmä on ollut viime vuosina vahvasti mukana teräsyhtiö SSAB:n kehittäessä lujia teräksiä ja niiden muovattavuutta.

 

Levyn reunan muovattavuuden tutkimus ASM-tutkimusryhmässä

Eräs muovattavuuden tutkimuksen osa-alue käsittää teräslevyn reunan muovattavuuden. Tietämystä tarvitaan erityisesti ajoneuvoteollisuudessa, jossa valmistetaan suuria sarjoja erilaisia komponentteja, joissa yhdistyvät usein mekaaninen leikkaus ja muovaus.

Yleensä osien valmistuksessa pyritään siihen, että muovauksen jälkeen tuote on kerralla valmis, eikä tarvita enää reunan rajaamista tms. jatkokäsittelyä. Tällöin usein levyn reunan muovattavuus muodostuu kriittiseksi ja mikäli se on riittämätön, syntyy reunaan murtumia ja komponentti joudutaan hylkäämään valmistusprosessissa.

Kuvassa 1 nähdään leikkaamalla ja muovaamalla valmistettu henkilöauton alustan komponentti, jossa reunan muovaus on hyvin onnistunut.


Ruoppa et al kuva 1.jpg
Kuva 1. Leikkaamalla ja muovaamalla valmistettu auton henkilöauton kolmiotukivarsi, kuva: SSAB, Vili Kesti

Levyn reunan muovattavuuden määrittämiseen on perinteisesti käytetty ns. reiänlaajennustestejä, joissa tietyn muotoisella painimella laajennetaan lävistämällä valmistettua reikää, kunnes reiän reunaan syntyy murtuma. Mitä suurempi reikä saadaan aikaan, sitä parempi tulkitaan reunan muovattavuuden olevan. Eräs tällainen testausmenetelmä on standardin ISO/FDIS 16630 mukainen testi, jossa käytetään kartion muotoista paininta.

Testin perusteella määritellään materiaalin soveltuvuus erilaisiin muovausmenetelmiin ja niillä tapahtuvaan komponenttien valmistukseen. Menetelmää on kuitenkin kritisoitu sen tulosten suuren hajonnan vuoksi.

Menetelmä on standardisoinnista huolimatta hyvin herkkä olosuhteiden aiheuttamille muutoksille, kuten tutkittavan levyn reunan laadulle sekä itse testausprosessissa tapahtuville muutoksille, kuten työkalujen kulumiselle.


Olemassa olevien tutkimusmenetelmien kartoitus

SSAB:n taholta esitettiin, että Arctic Steel and Mining tutkimusryhmän kanssa yhteistyössä alettaisiin kehittää levyn reunan muovattavuuden tutkimiseen uusia menetelmiä, joilla saataisiin kattavampia ja luotettavampia tuloksia pienemmällä hajonnalla.

Työtä varten koottiin yhteen muovattavuuden kanssa Lapin AMK:lla tekemisissä olevat henkilöt ja SSAB:n puolelta projektiin osallistui DI Vili Kesti, joka työskentelee SSAB:n Knowledge Service Centerissä. Lisäksi mukana oli muutama muu henkilö SSAB:n tutkimusorganisaatiosta.

Työ aloitettiin kirjallisuusselvityksellä, jossa kartoitettiin olemassa olevia reunan muovattavuuden tutkimiseen käytettäviä menetelmiä. Niitä löydettiin melko runsaasti ja ne koottiin yhteen sekä ryhmiteltiin niiden edustaman tyypin mukaan.

Eräs tapa luokitella testausmenetelmä on määritellä sen muovauksen aikana levyn reunaan kolmeen eri pääsuuntaan syntyvät venymät, kuva 2. Venymien suuruudessa tapahtuvien muutosten avulla voidaan kuvata erilaisissa muovaustesteissä syntyviä muodonmuutostiloja, joista muutamasta erilaisesta nähdään myös esimerkki kuvassa 2.

Ruoppa et al kuva 2.jpg
Kuva 2. Levyn reunan muovauksessa syntyvät venymät sekä erilaisia reunan muovattavuuden testejä ja niissä vallitseva muodonmuutostila.

Kirjallisuustarkastelun pohjalta alettiin suorittamaan valintaa löydettyjen menetelmien joukosta.

Muodonmuutostilan lisäksi valinnassa käytettiin eräitä muitakin kriteerejä, kuten työkalujen valmistettavuus, näytteiden valmistettavuus, mahdollisuus optiseen venymämittaukseen, suurin materiaalin paksuus/lujuus, mahdollisuus varioida leikkausvälystä, jne. Huolellisen analysoinnin tuloksena valittiin jatkoon viisi erilaista testiä.


Uusien menetelmien käyttöönotto

Valittujen menetelmien testausta varten suunniteltiin ja valmistettiin työkalut niiltä osin kuin oli tarvetta ja valmisteltiin näytteet SSAB:n toimittamista kolmesta eri koemateriaalista sekä toteutettiin testaukset yksi kerrallaan.

Kuvassa 3 nähdään esimerkkinä ns. Diabolo-testissä käytetyt työkalut ja näyte testauksen jälkeen sekä optisen venymämittauksen avulla saatu venymäjakauma.


Ruoppa et al kuva 3.jpg
Kuva 3. Diabolo-testin työkalu, näytteitä sekä optisella venymämittauksella saatu venymäjakauma.


Projektin lopputulos ja johtopäätökset

Kun kaikki testaukset oli suoritettu, niiden tulokset koottiin yhteen ja analysoitiin. Kuvassa 4 on esitetty tuloksena eri testeissä saadut maksimivenymät ja niistä laskettu hajonta sekä verrattu niitä perinteisellä ISO HE-testillä saatuihin tuloksiin ja hajontaan. Em. tapauksessa viidestä testistä kahdessa tulosten hajonta on erittäin pieni ja kahdessa muussakin uudessa testissä selvästi pienempi kuin ISO HE-testissä.

Ruoppa et al kuva 4.jpg
Kuva 4. Eri testimenetelmillä saatu reunan muovattavuuden arvo ja tulosten hajonta, kuva: SSAB, Vili Kesti

Projektin loppupäätelmä oli, että uusien testien käyttöönotto oli onnistunut. Tuloksia esiteltiin lokakuun alussa Suomen Levynmuovauksen Yhteistyöryhmän FinDDRG ry:n järjestämillä Levytekniikan teemapäivillä Riihimäellä, missä ne herättivät suurta mielenkiintoa alan ammattilaisten keskuudessa.

Uusia tutkimuksia ollaan jo aloitettu ja suunnitelmissa on myös julkaista niiden tuloksia yhdessä SSAB:n kanssa esim. tulevissa IDDRG:n eli International Deep Drawing Research Groupin konferensseissa.

Verkkopalvelumme käyttää evästeitä, lue lisää evästeistä. Jatkamalla sivuston selailua hyväksyt evästeiden käytön. [Hyväksyn ehdot]
OK