Topplattan med fästelement skruvas loss, se figur 3, och en skyddsplåt av metall, ca 20 mm tjock monteras. Mellan pressens överdel och skyddsplåten placeras
isoleringsmaterialet. För att isolera pressens överdel från värmen och för att
skyddsplåten fördelar presskraften över isoleringen. På pressplattan, se figur 3, läggs samma typ av isolering som finns vid pressens överdel. Ugnarna flyttas till pressen så att ugnarna står så nära pressen som möjligt utan att hindra åtkomligheten runt pressen. Glaspulver förbereds vid pressen så att det är möjligt att rulla behållaren i glaspulver innan behållaren placeras i riggen. Behållaren ska kunna rullas i glaspulver och sedan direkt placeras i riggen.
Glaspulvret ska vara tillgängligt vid pressen för slippa förflytta behållaren onödiga sträckor efter att glaspulver har applicerats. De verktyg som ska användas för att hantera de varma delarna placeras vid ugnarna. Se
figur 22 för förslag på placering av all utrustning.
Figur 22: Förenklad tilltänkt layout vid extrusion. Utgångspunkten är den lokal där pressen står i vid Högskolan i Gävle, källa: eget material
För både direkt och indirekt extrusion genomförs en testmontering.
Testmonteringen genomförs med de verktyg som kommer användas när delarna är värmda. Monteringen sker i den ordning som är tänkt att ske när delarna är varma för att utefter operatörens förmåga att montera, ställa in hur stort avståndet ska vara mellan pressen och riggens högsta höjd vid montering. Under testmonteringen kommer ingen av delarna att värmas upp.
De delar som ska värmas upp både för direkt och indirekt extrusion är matris, container och behållare. Vid indirekt extrusion kommer även mellanliggande skiva värmas upp och vid direkt extrusion kommer även presstämpeln värmas upp.
Behållaren kommer värmas upp till cirka 1100 ºC. Den höga temperaturen är tänkt att underlätta för spånorna att sammansvetsas och bilda ett solitt ämne vid extrusion.
Matris, container, presstämpel och mellanliggande skiva kommer värmas upp till
a) b) c)
Eftersom matris, container, presstämpel och mellanliggande skiva kommer i kontakt med behållaren önskas en så liten temperaturskillnad som möjligt mellan delarna.
Detta för att minimera värmeförluster och minska termisk chock. Anledningen till att delarna inte värms upp mer än 400 ºC är för att påverka hållfastheten så lite som möjligt i de delarna.
Direkt extrusion:
Matris, container, behållare och presstämpel stoppas in i ugnarna för att värmas upp.
Matrisen placeras på en metallbit i ugnen för att lättare kunna ta ut matrisen från ugnen med bärverktyget, se figur 23. Där tiderna anpassas så att alla delarna uppnår måltemperatur (för matris, container och presstämpel= 300-400°C,
behållare= cirka 1100 °C) samtidigt. De två delarna som utgör riggen skruvas ihop med bottenplattan och monteras till varandra med fästelementen på bottenplattan, om solid rigg används skruvas riggen ihop med bottenplattan. På pressplattan i pressen läggs isoleringen, och på isoleringen ställs riggen. När matrisen uppnått måltemperatur tas den ut ur ugnen med bärverktyget genom att föra in bärverktyget under matrisen och lyfter ut.
Figur 23: a) Idé för lyftverktyg till matris i direkt extrusion, b) metallbiten som matrisen placeras på i ugnen, c) hur bärvärktyget används för att ta ut matrisen från ugnen då matrisen ligger på metallbiten, källa: eget material
När matrisen tagits ut ur ugnen förflyttas den direkt till pressen. Vid pressen sänks matrisen ned i riggen tills bärverktygets undersida ligger mot ytan som matrisen ska ligga på. Med riggens kanter som går upp runt om matrisen som mothåll dras bärverktyget under matrisen ut från riggen så att matrisen hamnar på riggen.
Containern tas ut ur ugnen med en tång vars käftar har lika stor radie som containerns ytterradie. Med tången flyttas containern från ugnen till pressen där containern placeras ovanpå matrisen. Sedan tas behållaren ut med en tång som har runda käftar med lika stor radie som behållaren.
Från ugnen förflyttas behållaren till glaspulvret vid pressen. Med tången rullas
När presstämpeln förflyttas från ugnen till pressen läggs undersidan av
presstämpelns utstickande huvud an mot tången för att få mer stöd och stabilitet vid förflyttning. Presstämpeln ställs på behållaren i containern och extrusionsprocessen kan starta.
Indirekt extrusion
Matris, container, behållare och mellanliggande skiva stoppas in i ugnarna för att värmas upp. Där tiderna anpassas så att alla delarna uppnår måltemperatur (för matris, container och mellanliggande skiva= 300-400°C, behållare= cirka 1100 °C) samtidigt. De två delarna som utgör riggen skruvas ihop med bottenplattans delar och monteras till varandra med fästelementen på bottenplattan, om solid rigg används skruvas riggen ihop med bottenplattan. På pressplattan i pressen läggs isoleringen, och på isoleringen ställs riggen. När matrisen uppnått måltemperatur tas den ut ur ugnen med en tång som har runda käftar med lika stor radie som matrisens radie. Matrisen förflyttas från ugnen med tången och placeras på riggen.
Processen att förflytta och rulla behållaren i glas är lika som för direkt extrusion.
Efter att behållaren rullats i glas placeras den på matrisen i riggen. Mellanliggande skivan tas ut ur ugnen med samma tång som används till matrisen eftersom skivan har lika stor diameter som matrisen. Mellanliggande skivan tas från ugnen med tången och placeras på behållaren i riggen. Containern tas ut ur ugnen med en tång vars käftar har lika stor radie som containerns ytterradie. Med tången förflyttas containern från ugnen till riggen där containern sänks ned över mellanliggande skiva, behållare och matris och extrusionsprocessen kan starta.
Om behållaren skulle fastna i containern avlägsnas container, presstämpel och behållare från pressen. Där containern avlägsnas med samma tång som används för att placera containern i riggen. För att få ur behållaren ur containern tillåts container och behållare att svalna, det medför att det både blir säkrare och lättare att hantera de båda delarna. Om materialet svalnar kommer det även att krympa vilket kan underlätta för att separera delarna. Detta gäller för både direkt och indirekt extrusion.
Efter extrusion måste den extruderade stången tas bort från discarden. Om stången skulle klippas av då den fortande är i kontakt med matrisen finns risk att klippgrader uppstår som förhindrar att det discarden avlägsnas från matrisen.
Därför avlägsnas stången tillsammans med discarden från matrisen innan stången kapas. Detta genomförs då delarna har svalnat vilket gör hanteringen säkrare.
5 Diskussion
Koncept 2 och 3 valdes ut för vidare utveckling i samråd med beställare. Efter att koncept 1-4 presenterats tillkom kravet att matrisen inte ska bearbetas. Då koncept 1,2 och 4 togs fram fanns alltså inte kravet att matrisen inte ska bearbetas, vilket är anledningen till att låspinnar används i matrisen.
För att avgöra om massan för koncept 1-4 överstiger gränsen på 15 kg har den totala massan för riggen och dess ingående delar uppskattats. Där skisserna, se bilaga B, på koncept 1-4 och de beräknade massorna för koncept 5 har använts som
utgångspunkt. Där skisserna på konstruktionerna har jämförts mot koncept 5 där massorna har beräknats och därifrån uppskattat massan. För att få en mer noggrann bedömning bör koncept 1-4 konstrueras och dimensioneras.
Eftersom alla ingående delar i riggarna är runda är tänger ett användbart verktyg att använda vid förflyttning. Detta eftersom tängers käftar kan anpassas efter objektet som ska greppas. Samma tänger som används vid förlfyttning av delarna kan även användas vid montering av delarna. Ett alternativ skulle vara att de delar som är större och tyngre tillges ögglor eller spår där till exempel stänger kan stoppas in för att lyfta delarna. Fördelen är att delarna i så fall endast behövs lyftas, och inte kläms åt och lyftas som de behöver göras med tänger. Nackdelen är att det skulle kunna påverka delarnas storlek där ugnarnas dimensioner blir begränsande. Beroende på hur ögglorna eller spåren utformas kan det påverka delarnas fållfasthet eller funktion.
För att undvika förflyttning av varma delar från ugarna kan mobila värmelement användas för att värma upp delarna då de är monterade vid pressen, förutom matris och behållare. Fördelen är att delarna blir mer jämnvarma, mängden varma delar som förflyttas minskas, delarna behöver inte vänta lika länge och på så sätt inte svalnar lika mycket. Nackdelen är att containern (både för indirekt och direkt rigg) måste avlägsnas från riggen för att kunna montera matrisen. Det som begränsar användandet av doppvärmare är höjden i pressen. Om den tvådelade riggen används kan kan droppvärmaren användas från sidan. Till skillnad från den solida riggen då droppvärmarne måste sänkas ned uppifrån.
För att ta loss den extruderade stången måste den antingen avlägsnas från discarden, alternativt att discarden tillsammans med den extruderade stången tas bort från matrisen. Om hela den extruderade stången tillsammans med discarden skulle avlägnsas i ett stycke från riggen skulle det vara möjligt att kapa av och utnyttja så mycket som möjligt av den extruderade stången. Om den extruderade stången skulle klippas av då discarden forfarande ligger på matrisen kommer den del av
efter extrusion då det är varmt. Fördelen med att göra det då det har svalnat är att det är lättare och säkrare att hantera, dessutom kan materialet krympa något då det svalnat vilket kan underlätta då det extruderade materialet ska avlägsnas från matris och container.
Innerradien för riggen för indirekt extrusion (15 mm) medför en säkerhet mot sträckgränsen på cirka 1,05. Då risken är stor att materialet deformeras plastiskt bör det vara en faktor i valet av vilken rigg som används. Det som begränsar
godstjockleken är diametern på matrisen och diametern på hålen i matrisen. Det som skulle kunna ändras är att en större matris används. Då blir ytterdiametern på riggen större och på så vis även godstjockleken men den nödvändiga presskraften ökar. De faktorer som bör poängteras är att sträckgränsen som använts i
beräkningarna, både för riggen för direkt och indirekt, är då materialet är 400 °C varmt. Anledningen till att den sträckgränsen användes var för att riggen kommer komma i kontakt med delar som är 400 °C varma. Riggen kanske inte värms upp till 400 °C, men som en säkerhetsfaktor används den sträckgränsen.
Innerradien på riggen för direkt extrusion bestäms till 40 mm. Det ger en
säkerhetsfaktor till sträckgränsen på cirka 2,7, samtidigt som platån som matrisen ligger på får mer stöd underifrån ju mindre innerradien är. Nackdelen är att massan blir högre. I det här fallet prioriteras att riggen inte deformeras än att få ned massan så mycket som möjligt.
I beräkningarna som gjorts har antaganden och förenklingar gjorts. Detta gör att det finns felmarginaler i de värden som beräknats. Eftersom det här arbetet behandlar en metod som handlar om att extrudera spån som endast är i idéstadiet ger
beräkningarna en fingervisning om vilka värden som förekommer. För att kunna beräkna noggrannare bör experiment göras där till exempel 𝑘𝑓-kurva för materialet som extruderas tas fram och friktionskoefficienten när glas används som smörjmedel mäts. Det 𝑘𝑓-värde som används i arbetet har beräknats av uppdragsgivare.
Vid beräkning av presskraften för direkt extrusion har en friktionskoefficient från en artikel [22] använts. Friktionskoefficienten har tagits fram med hjälp av ett
kompressionstest där friktionskraften mellan kontaktytorna har mätts. Materialet som använts är en nickelbaserad superlegering (Nimonic 115), och temperaturerna vid testerna var 1100 °C och 1175 °C. Dessutom hade materialet i experimenten värmebehandlats. Dessa faktorer och att det inte var extrusion som utfördes är faktorer som gör att friktionskoefficienten som använts kan ifrågasättas om den är lämplig att användas i det här arbetet. Anledningen till att friktionskoefficienten användes var för att få en uppfattning om i vilken storleksordning
friktionskoefficienten kan vara i liknande situationer och således ett utgångsvärde för hur stor presskraften kan vara för direkt extrusion.
Valet av material baseras på vad materialens egenskaper är och vad de lämpar sig till.
Hänsyn har inte tagits till kostnad eller materialets tillgänglighet. Eftersom arbetet inte innefattar tillverkning, förberedelser eller liknande.
Den materialdata som har använts i arbetet och materialens användningsområden ska ej anses som garantier enligt tillverkaren. Därför kan inte beräkningarna användas som absoluta värden utan mer som riktvärden.
Tanken med den tvådelade riggen var från början att det skulle underlätta att klippa av den extruderade stången direkt efter att den extruderats. Vid noggrannare eftertanke finns risken att klippgrader uppstår vilket skulle kunna medföra att discarden helt eller delvis förhindras att avlägsnas från matrisen. En tvådelad rigg underlättar även då den exruderade delen är mer åtkommlig än med en solid rigg.
Om det till exempel skulle uppstå problem under extrusionsprocessen. Nackdelen är att riggen kan få ojämn belastning om inte höjden på delarna är rätt.
Toleranserna på riggens ingående delar baseras på beräkningarna av töjningen och ISO 2768. ISO-toleransen tillämpas eftersom det är en generell standard för metallprodukter som tillverkas genom skärande och avskiljande bearbetning.
Toleranserna på höjden av den tvådelade riggen baseras på ISO 2768 f eftersom de två delarna ska dela på presskraften under extrusionsprocessen. Där skillnaden i höjd ska vara så liten som möjligt för att fördela kraften jämt och undvika ojämn
fördelning. Anledningen till att riggens delar har ett övre eller undre gränsavmått är för att se till att den del som ska skjutas in under den högre delen inte blir för hög.
Med ISO 2768 f som utgångspunkt kan spelet som mest bli 0,4 mm (basmått= 120-400 mm medför tolerans på ± 0,2 mm). Om höjdskillnaden skulle vara för stor och presskraften endast tas upp av en del är säkerheten till sträckgränsen för riggen till direkt extrusion cirka 1,4. Det som är kritiskt är att den del av platån, som matrisen ligger på, som sticker ut kommer utsättas för ett stort moment. Vilket kommer medföra att materialet längst in mot platåns infästning kommer utsättas för
utmattning varje gång riggen används som kommer förkorta riggens livslängd. För riggen till indirekt extrusion kommer sträckgränsen överskridas om presskraften endast tas upp av en del.
För att undvika att riggen välter eller blir ocentrerad mot bottenplattan vid
montering av de ingående delarna (matris, container, presstämpel och behållare med spån) monteras riggen på bottenplattan med hjälp av skruvar. Där storleken på skruvarna bestäms utifrån vilka krafter som riggen uppskattas utsättas för. Det skruvarna ska förhindra är att riggen flyttar på sig när de ingående delarna monteras där krafterna som kan påverka riggen uppskattas vara relativt små. Storleken som
Fästelementens funktion är att förhindra att bottenplattans delar (vid tvådelad rigg) separeras. Nackdelen med deras utformning är att riggens delar måste lyftas för att separera delarna om riggen är fastskruvad i botten plattan. Alternativet är att fästelementen inte monteras ”uppifrån” utan att de istället monteras från sidan av bottenplattan eller använda skruvar.
Testet att pressa spån genomfördes för att ta reda på hur stor andel av de pressade spånen som är luft och solitt material. Där resultatet av experimentet används för att beräkna hur lång behållaren med spån ska vara. Kraften som användes vid pressning (490 kN) medförde att trycket som spånen utsattes för, cirka 136 MPa, blev lite mer än hälften av spånen sträckgräns (cirka 325 MPa). Anledningen var för att se till att behållaren som spånen pressades i inte deformerades och containern runt om behållaren var en extra säkerhet. Andelen luft i de pressade spånen är beroende på presskraften därför bör presskraften vara så stor som möjlig.