Alternativa sammanfogningsmetoder för detaljer i en snabbkoppling

1

Bachelor Degree Project in Mechanical Engineering G2E, 30 credits

Spring term 2020

Eric Edsand

Oskar Gustavsson Sandsjö

Supervisor: Ulf Stigh

Examiner: Lennart Ljungberg

A ^LTERNATIV

SAMMANFOGNINGSMETOD

MELLAN FRAM - OCH BAKPART I EN SNABBKOPPLING

ALTERNATIVA

SAMMANFOGNINGSMETODER FÖR DETALJER I EN

SNABBKOPPLING

ALTERNATIVE JOINING METHODS BETWEEN PARTS IN A QUICK CONNECTION COUPLING

Bachelor Degree Project in Mechanical Engineering G2E, 30 credits

Spring term 2020

Eric Edsand

Oskar Gustavsson Sandsjö

Supervisor: Ulf Stigh

Examiner: Lennart Ljungberg

Abstract

This project has been carried out by the University of Skövde on behalf of CEJN AB. During the project, the possibility to an alternative joining method between two parts of a quick connect coupling has been examined. The goal with the project was to find a method that can handle the loads that a quick coupling can be exposed to, but at the same time achieve a lower production cost than the current method. Three possible concepts were formed. The three concepts implied that the joining should be done by welding, adhesives or press fitting. Calculations have been carried out to evaluate the suitability of these concepts.

By the end of the project, none of the three concepts was excluded. Therefore a further evaluation is

needed by the company.

Sammanfattning

Detta projekt har utförts av Högskolan i Skövde på uppdrag av CEJN AB. Under projektet har möjligheten till en alternativ sammanfogning mellan två delar i en snabbkoppling undersökts. Målet med projektet var att finna en metod som klarar av de belastningar som en snabbkoppling kan utsättas för, och samtidigt bli billigare att tillverka än nuvarande metod. Tre möjliga koncept togs fram för vidare studier.

Dessa tre koncept innebar att sammanfogning skulle ske genom svetsning, limning eller presspassning.

Beräkningar har utförts för att utvärdera dessa koncepts lämplighet. Av dessa tre koncept har inget

uteslutits vid tiden för projektets avslut, och därmed krävs fortsatt utvärdering av företaget.

Intyg

Denna uppsats har lämnats in av Eric Edsand och Oskar Gustavsson Sandsjö till Högskolan i Skövde som uppsats för erhållande av betyg för kandidat- och högskoleingenjörsexamen inom ämnet maskinteknik.

Undertecknade intygar härmed att allt material i denna uppsats som inte är resultatet av eget arbete har redovisats med källangivelse. Uppsatsen innehåller inte heller material som undertecknande redan tidigare fått tillgodoräknat sig inom sina akademiska studier.

Eric Edsand Oskar Gustavsson Sandsjö

Skövde 2020-06-02

Institutionen för Ingenjörsvetenskap

Förord

Projektarbetet har kunnat genomföras tack vare den hjälp och stöttning som mottagits från dess

intressenter. Arbetet har skett i nära samarbete med CEJN, därmed ska ett tack riktas till alla medarbetare

som på ett eller annat sätt bidragit till att projektarbetet gått att utföra. Tre personer som ska riktas ett extra

stort tack är projektets handledare från CEJN, Marcus Ronnheim, projektets handledare från Högskolan i

Skövde, Ulf Stigh samt forskningsassistent Andreas Andersson Lassila.

Innehållsförteckning

1. INLEDNING 1

1.1 O

M FÖRETAGET

1

1.2 B

AKGRUND OCH PROBLEMFORMULERING

1

1.3 S

YFTE OCH MÅL

2

2. FÖRSTUDIE 3

2.1 M

ETODER

3

2.1.1 B

RAINWRITING

3

2.1.2 K

ONCEPTVIKTNINGSMATRIS

3

2.1.3 CAD 3

2.1.4 FEM 3

2.2 V

ERKANDE LASTER

3

2.2.1 I

NRE BELASTNINGAR

3

2.2.2 Y

TTRE BELASTNINGAR

4

2.3 M

ATERIALKLASSER

4

3. KONCEPTGENERERING OCH KONCEPTVAL 5

3.1 I

DÉGENERERING

5

3.2 K

ONCEPTUTVÄRDERING

5

3.3 K

ONCEPTVAL

6

4. LITTERATURSTUDIE 7

4.1 S

VETSNING

7

4.1.1 G

EOMETRI FÖR SAMMANFOGNING

7

4.1.2 M

ILJÖ OCH HÄLSA I SAMBAND MED SVETSNING

7

4.1.3 M

ATERIAL

8

4.2 L

IMNING

8

4.2.1 G

EOMETRI FÖR SAMMANFOGNING

8

4.2.2 L

IMNING AV METALLER

8

4.2.3 H

ÄRDNING

8

4.2.4 M

ILJÖ OCH HÄLSA I SAMBAND MED LIMNING

9

4.3 G

REPPASSNING

9

4.3.1 M

ETODER FÖR GREPPASSNING

9

4.3.2 M

ATERIAL

10

5. KONCEPTUTVECKLING 11

5.1 L

ASERSVETSNING

11

5.1.1 G

EOMETRI FÖR SAMMANFOGNING

11

5.1.2 S

AMMANFOGNING

11

5.1.3 M

ATERIAL

11

5.1.4 L

ASERTYPER

12

5.2 L

IMNING

12

5.2.1 G

EOMETRI FÖR SAMMANFOGNING

12

5.2.2 L

IMTYPER

12

5.2.3 H

ÄRDNING

13

5.3 P

RESSPASSNING

13

5.3.1 G

EOMETRI FÖR SAMMANFOGNING

13

5.3.2 L

ÄTTRING

14

5.3.3 M

ONTERING

14

5.3.4 M

ATERIAL

14

6. ANALYS OCH DESIGN 15

6.1 U

NDERLAG FÖR DESIGN OCH ANALYS

15

6.2 S

VETSNING

15

6.2.1 B

ERÄKNINGAR

15

6.2.2 FEM-

ANALYS

16

6.3 L

IMNING

17

6.3.1 B

ERÄKNINGAR

17

6.3.2 FEM-

ANALYS

18

6.4 P

RESSPASSNING

19

6.4.1 B

ERÄKNINGAR

19

6.4.2 FEM-

ANALYS

21

7. RESULTAT 23

7.1 S

LUTLIGT RESULTAT

23

7.2 J

ÄMFÖRELSE AV HÅLLFASTHET

23

7.3 P

ROTOTYPUNDERLAG

24

7.3.1 S

VETSNING

24

7.3.2 L

IMNING

24

7.3.3 P

RESSPASSNING

25

7.4 P

ROTOTYPTESTER VID PRESSPASSNING

25

8. DISKUSSION 27

8.1 A

RBETETS UPPLÄGG

27

8.2 H

ÅLLBAR UTVECKLING PÅ

CEJN 27

8.3 P

ROTOTYPER

28

8.4 S

VÅRIGHETER MED KOSTNADER

28

8.5 P

ERSONLIG UTVECKLING

28

9. SLUTSATS 29

9.1 U

TVÄRDERING AV SYFTE

29

9.2 U

TVÄRDERING AV MÅL

29

9.3 F

RAMTIDA ARBETE

29

10. REFERENSER 30

11. BILAGOR 32

11.1 A

PPENDIX

A – T

IDSPLAN

32

U

RSPRUNGLIG TIDSPLAN

32

U

PPFÖLJNING TIDSPLAN

32

11.2 A

PPENDIX

B – K

ONCEPTGENERERING

33

K

ONCEPT

1 33

K

ONCEPT

2 33

K

ONCEPT

3 33

K

ONCEPT

4 34

K

ONCEPT

5 34

K

ONCEPT

6 34

K

ONCEPT

7 34

K

ONCEPT

8 35

K

ONCEPT

9 35

11.3 A

PPENDIX

C – K

ONVERGENSANALYS

(FEM) 36

K

ONVERGENSANALYS SVETSFOG

36

K

ONVERGENSANALYS LIMFOG

37

K

ONVERGENSANALYS PRESSPASSNING

38

1

1. Inledning

I detta projekt kommer möjligheten till en alternativ sammanfogningsmetod mellan delarna i en snabbkoppling att undersökas och utvecklas. Arbetet sker tillsammans med företaget CEJN där syftet är att metoden ska ersätta den traditionella gängan mellan kopplingens fram- och bakpart.

1.1 Om företaget

CEJN är ett globalt företag med säte i Skövde, Sverige. Det var där grundaren Carl Erik Josef Nyberg, en verktygsmakare inom Försvarsmakten, år 1955 tog fram en ny snabbkoppling som skulle komma att patenteras samma år tack vare sin innovativitet. Första kopplingen som togs fram användes till pneumatiska applikationer. Företaget har sedan dess utvecklat och tillverkat högkvalitativa samt innovativa snabbkopplingar för pneumatik, hydraulik, vätska etcetera. Områden där företagets produkter används är exempelvis inom tillverkningsindustri, marin industri, medicin, jordbruk och vindkraft.

Företaget ägs idag av ättlingar till Carl och är en av Skövdes största privata arbetsgivare. CEJN har cirka 570 medarbetare, varav 340 i Skövde. Resterande är utspridda runt om i världen på säljkontor och produktionsanläggningar.

1.2 Bakgrund och problemformulering

En koppling fungerar som en anslutning i ett system med något typ av flöde. Flödet kan exempelvis bestå av olja, vätska, gas eller luft. I vissa fall används ett fördelningsblock med flera kopplingar för att dela upp ett större flöde i flera mindre. Den traditionella kopplingen krävde att verktyg, exempelvis ringnycklar, användes för att sammankoppla och koppla isär flödet. Detta förändrades när snabbkopplingen introducerades och tillät att sammanfogning kunde göras utan verktyg, och i vissa fall med bara en hand.

Den traditionella kopplingen har i flera fall ersatts av snabbkopplingar för att, på ett enklare sätt, tillåta upprepad sammankoppling och isärtagning.

De huvudsakliga delarna som utgör en snabbkoppling är kopplingsdelen samt nippeln.

Nippeln består i huvudsak av en nippelkropp samt en fjäderbelastad ventil som har till uppgift att förhindra läckage då kopplingen är isärkopplad, se figur 1.

Kopplingsdelen består huvudsakligen av fram- och bakpart, se figur 2. I framparten finns den låsfunktion som håller samman koppling och nippel. Denna låsfunktion består ofta av stålkulor som är placerade i sfäriska hålrum på framparten. Hålrummet är utformat så att kulorna kan röra sig i radiell led när kopplingen är olåst. Utanpå dessa kulor sitter en fjäderbelastad låshylsa som, när fjädern är obelastad, lägger an ett tryck på stålkulorna och på så vis låser fast kulorna. När nippeln förs in i kopplingen så komprimeras låshylsans fjäder, låshylsan tillåts glida bak och därmed frigör kulorna. Då nippeln är helt intryckt frigörs låshylsans fjäder varpå låshylsan trycks tillbaka över kulorna som då pressas ner i ett spår.

Därmed skapas en mekanisk låsning.

Utöver låsningsmekanismen så finns en fjäderbelastad ventilhylsa som, tillsammans med ventilöppnaren, stänger flödet då kopplingen är isärkopplad. Främre delen av ventilöppnaren har en ytterdiameter som tillåter att ventilhylsan kan förflyttas i axiell led, medan ventilöppnaren sitter fast i bakparten och därmed är statisk. Då nippeln förs in i kopplingsdelen trycker nippelkroppen på den fjäderbelastade ventilhylsan

Nippelkropp Ventil

Figur 1: Sprängskiss nippel.

2 som därmed pressas bakåt och släpper igenom ventilöppnarens främre del. Denna kommer då i kontakt med ventilen som finns i nippeln och öppnar därmed flödet igenom snabbkopplingen.

Figur 3 visar hur förloppet ser ut då nippeln pressas in i kopplingsdelen och öppnar upp systemets flöde.

Denna sammankoppling kan se olika ut beroende på vad som flödar i systemet och vilket tryck flödet har.

CEJN tillverkar kopplingar som klarar tryck från 1-2 bar upp till 4000 bar. Vissa kopplingar, då oftast i högtryckssystem, har en extra låsning som förhindrar att oavsiktlig isärkoppling sker.

Flera av snabbkopplingens komponenter består av cylindriska detaljer vilket gör att svarvar utgör en stor del av produktionsutrustningen på företaget. Gängor har sedan början använts för att sammanfoga kopplingens fram- och bakpart. Dessa utgör kopplingsdelens kropp och det är inuti dessa som ventilöppnare, tätningar etcetera sitter monterade. Fördelarna med att använda gängor är flera. Gängor är en stark sammanfogningsteknik som tål höga axiella krafter, de tillåter också att de sammanfogade delarna kan separeras. Med dagens produktionsutrustning är det också en enkel process att tillverka gängor.

Nackdelen är dock att tillverkningen av gängor är tidskrävande vilket gör processen relativt dyr. Det finns i huvudsak två olika metoder för att skapa gängor, rullning och svarvning. Rullning innebär att detaljen som ska gängas blir pressad i ett roterande verktyg. CEJN använder idag svarvning som är en skärande bearbetning för att skapa gängor på kopplingarnas fram- och bakpart. Företaget är nu intresserat av att undersöka huruvida det går att ersätta dagens gängor med en annan typ av sammanfogningsmetod.

1.3 Syfte och mål

Projektets syfte är att finna en framtida alternativ sammanfogningsmetod som kan ersätta dagens gänga.

Metoden ska modelleras och analyseras för att sedan tillverkas och testas som prototyp. Företagets inledande krav på metoden är att den ska vara tillverkarvänlig, monterbar och mer lönsam än dagens gänga. Nya metoden behöver inte vara anpassad efter företagets befintliga produktionsutrustning.

Målet är att den alternativa sammanfogningsmetoden ska minst hålla för de belastningar som dagens produkter utsätts för. Målet är uppfyllt när prototypen har testats och resultatet evaluerats. Resultatet bör skapa en uppfattning om metoden kan fungera och om den bör tas vidare för djupare undersökning hos företaget.

Frampart Ventilhylsa Ventilöppnare Bakpart

Figur 3: Ihopkoppling. Hämtad från www.cejn.com.

Figur 2: Sprängskiss kopplingskropp.

3

2. Förstudie

Under förstudien har nödvändig information som påverkar projektets genomförande identifieras. Denna information innefattar metodval för konceptgenerering, verkande laster på kopplingen och relevanta materialklasser etcetera.

2.1 Metoder

2.1.1 Brainwriting

Brainwriting är en idégenereringsmetod där varje deltagare skissar idéer på lösningar till det problem som ska lösas. Idéerna läggs i en hög och när deltagarna inte längre kan komma på fler idéer, tas ett papper från högen som jobbas vidare på (Baxter, 1995).

2.1.2 Konceptviktningsmatris

För att utföra en konceptviktningsmatris ska utövaren i förhand ställa upp viktiga egenskaper som behöver uppnås. Koncepten viktas sedan mot dessa egenskaper och poängsätts efter huruvida de uppfyller varje specifik egenskap. Konceptet som fått flest poäng i slutändan anses vara det mest lämpliga (Wikberg Nilsson, Ericson & Törnlind, 2015).

2.1.3 CAD

CAD är förkortningen för Computer Aided Design vilket är ett samlingsnamn för ett verktyg som används till att skapa två- eller tredimensionella mekaniska konstruktioner. Dessa går sedan att omvandla till ritningsunderlag som kan användas vid tillverkning. Med hjälp av CAD kan användaren också skapa sammansättningar av flera delar i en konstruktion för att se hur dessa interagerar med varandra. I projektet används programmet Creo Parametric 4.0 från PTC.

2.1.4 FEM

Finita elementmetoden (FEM) är namnet på en metod som bland annat ingenjörer använder för att beräkna partiella differentialekvationer. Metoden används exempelvis för att utöva hållfasthetsanalyser av mekaniska konstruktioner i syfte att se hur dessa reagerar på olika typer av belastningar. För att säkerställa att resultatet från analysen är tillräckligt nära verkligheten så utförs en konvergensanalys. Denna konvergensanalys används för att bestämma storlek och antal element för den specifika modellen.

Resultatet av analysen visualiseras sedan genom att modellen färgsätts i olika områden där exempelvis spänningar uppstår. Färgskalan varierar då från blå till röd, där blått tyder på låg spänning och röd indikerar hög spänning. FEM-analyser har utförts med programvaran Abaqus CAE från Dassault systemes.

2.2 Verkande laster

2.2.1 Inre belastningar

En snabbkoppling belastas ständigt av återkommande interna tryck, detta tryck anges i bar. Bar kan enkelt omvandlas till MPa, där 1,0 bar = 0,1 MPa (Ekholm, Frænkel & Hörbeck, 2013). Bar är den enhet som används av CEJN för de olika kopplingarnas tekniska specifikationer medans MPa är en SI-enhet som används vid beräkningar.

På snabbkopplingar från CEJN finns teknisk data på bland annat maximalt arbetstryck, nominell

flödesdiameter, flöde och acceptabla temperaturer som kopplingen kan utsättas för. Denna data kan

komma att användas för projektets beräkningar. Sammanfogningen hos kopplingen utsätts också för

4 upprepade på- och avlastningar och måste därför ha hög uthållighet mot utmattning. Detta kommer dock inte tas hänsyn till i projektet då det kan utföras med fysiska tester längre fram i utvecklingsprocessen.

2.2.2 Yttre belastningar

En snabbkoppling kommer även att utsättas för yttre påfrestningar. Detta gör det viktigt att den nya sammanfogningsmetoden håller för belastningar som uppstår på grund av exempelvis den utrustning som kopplingen monteras i eller handhavandefel. Denna utrustning kan generera vibrationer som leder till utmattning i sammanfogningen. Kopplingen kan också utsättas för slag och stötar om den tappas i golvet eller missbrukas på annat sätt.

Påfrestningar som dessa är viktiga att ta hänsyn till vid utveckling av en ny alternativ sammanfogningsmetod. Under projektet kommer yttre belastningar ej att analyseras då detta anses vara nästa steg i sammanfogningsmetodens utvecklingsprocess.

2.3 Materialklasser

Valet av materialklass för snabbkopplingen sker utefter de verkande laster som den specifika kopplingen kommer utsättas för, samt vilken typ av media som ska flöda i systemet. För att skydda kopplingens delar mot denna media, samt påverkan från den miljö som kopplingen ska användas i, appliceras oftast också någon form av ytbehandling. CEJN tillverkar snabbkopplingar i flera olika material där majoriteten består av: stål, rostfritt stål, aluminium och mässing. I tabell 1 visas vilket material som CEJN använder i sina snabbkopplingar för de vanligaste applikationerna.

Tabell 1: Materialklasser.

S tål R ost fr it t st ål M äss in g A lu m in iu m

Pneumatik X X

Andningsluft X X X

Vätska X X X

Hydraulik X X X

Högtryckshydraulik X X

Vid prototyptillverkning använder sig företaget av automatstålet SS-1914. Elasticitetsmodulen och Poissons tal är enligt Collins, Busby och Staab (2010) generella för stål. Materialegenskaperna för stålet visas i tabell 2. SS-1914 har enligt Eriksson och Karlsson (2011) sträckgränsen 440 MPa.

Tabell 2: Materialegenskaper för ett allmänt automatstål.

Materialegenskaper Värde Elasticitetsmodul [GPa] 207

Sträckgräns [MPa] 440

Poissons tal 0,3

Friktion (stål-stål) 0,13

5

3. Konceptgenerering och konceptval

Under konceptgenereringen visas resultatet från den idégenerering samt konceptutvärdering som utförts.

Vid idégenereringen användes de metoder som identifierats under förstudien.

3.1 Idégenerering

Genom att använda idégenereringsmetoden brainwriting, samt genom diskussion med projektets handledare på CEJN, togs nio möjliga koncept fram. Skisser på dessa nio visas i appendix B tillsammans med en kortare beskrivning.

3.2 Konceptutvärdering

För att utvärdera framtagna koncept användes en konceptviktningsmatris med, för företaget, viktiga kriterier. Som referens användes dagens sammanfogningsmetod för att uppskatta huruvida ett koncept ansågs vara bättre eller sämre än nuvarande lösning. Denna uppskattning har gjorts godtyckligt och baseras enbart på erfarenhet från företaget och författarna. För att underlätta uppskattningen så sattes en betygsskala (-2 till 2) där medelvärdet noll motsvarar gängan. Genom betygssättning har koncepten sedan jämförts mot gängan på de uppställda kriterierna, en förbättring gav pluspoäng och en försämring gav minuspoäng. Om konceptet ansågs vara likvärdigt gavs betyget noll. Konceptviktningsmatrisen och dess resultat kan ses i tabell 3.

De kriterier som företaget ansåg som viktiga var:

● Antal ingående komponenter

● Kopplingens monteringsvänlighet med respektive sammanfogningsmetod

● Kopplingens tillverkningsvänlighet med respektive sammanfogningsmetod

● Kopplingens utseende med respektive sammanfogningsmetod

● Kostnad för respektive sammanfogningsmetod

● Huruvida respektive sammanfogningsmetod gör kopplingen demonterbar eller ej

● Sammanfogningsmetodens styrka (hållfasthet)

Några av dessa kriterier har koppling till varandra. Exempelvis uppskattades kostnaden stiga med antalet

ingående komponenter. Antal komponenter kan även påverka hur monteringsvänlig ett koncept anses

vara.

6

Tabell 3: Konceptviktningsmatris (se koncept i appendix B).

G än ga K on ce p t 1

Svetsfog

K on ce p t 2

Presspassning

K on ce p t 3

Rad. skruvförband

K on ce p t 4

Bajonettlåsning

K on ce p t 5

Klämma

K on ce p t 6

Hylsa

K on ce p t 7

Fläns + skruv

K on ce p t 8

Dia.skillnad + skruv

K on ce p t 9

Tvådelad låsning

Kriterier (-2<0<2) Antal ingående

komponenter 0 0 0 −2 −1 −2 −1 −2 −2 −1

Monteringsvänlighet 0 1 1 −1 0 −1 0 0 −2 0

Tillverkningsvänlighet 0 2 1 −1 −2 −1 0 2 −2 −1

Utseende 0 −1 2 −1 0 −1 0 −1 −1 0

Kostnad 0 2 1 −1 −1 0 0 1 −2 −1

Demontering 0 −2 −2 0 −1 0 −2 −2 −1 0

Hållfasthet 0 0 −1 −1 −1 0 −1 −1 −1 0

Summa 0 2 2 −7 −6 −5 −4 −3 −11 −3

3.3 Konceptval

Konceptviktningsmatrisen resulterade i två koncept med högre poäng än dagens gänga, koncept 1 (svetsning) och koncept 2 (presspassning). Övriga koncept fick lägre betyg, alltså negativt, och anses därmed inte som en förbättring mot nuvarande lösning.

Efter att ha utfört konceptgenerering och konceptviktningsmatris togs ytterligare ett förslag på koncept fram. Detta koncept grundar sig i koncept 4 (Bajonettlåsning med lim) som fick lågt betyg i konceptviktningsmatrisen. Företaget ansåg att ett koncept med enbart limförband hade varit intressant och önskade därför att även detta skulle studeras under projektet.

Med resultatet från konceptvalsmatrisen, och i samråd med företaget, togs beslutet att projektet ska rikta in sig på följande tre koncept: svets (figur 4), presspassning (figur 5) samt limförband.

Svetsfog

Figur 4: Konceptval svetsfog. Figur 5: Konceptval presspassning.

7

4. Litteraturstudie

Litteraturstudien ska fokusera på de två koncept som fick högre betyg än gängan i konceptviktningsmatrisen, se tabell 3, samt ett koncept med limförband.

4.1 Svetsning

Inom svetsning finns ett stort utbud av metoder och deras användningsområden varierar. Det mest förekommande användningsområdet hos svetsning är vid sammanfogning av två eller fler arbetsstycken (Marlow, 2012). Sammanfogning kan ske genom att tillföra både värme och tillsatsmaterial, eller genom att enbart tillföra värme tills dess att materialen uppnår sina smälttemperaturer och smälter samman (IVL Svenska Miljöinstitutet, u.å.). Vid tillförsel av enbart tillsatsmaterial heter processen istället lödning.

4.1.1 Geometri för sammanfogning

En svetsfog är det som sammanbinder parterna och enligt Singh (2012) finns det fyra avgörande faktorer till valet av svetsfog:

● Vilket material ska svetsas?

● Vilken metod ska användas?

● Vilken design ska fogen ha?

● Vilken styrka vill uppnås?

För att undvika defekter är det viktigt att arbetsstycket som ska svetsas är fritt från smuts. Detta kan exempelvis vara olja, skärvätska, rost och färg.

Beroende på vilken svetsmetod som används finns olika typer av svetsfogar, i figur 6 visas exempel på stumfog och överlappningsfog. En stumfog är en vanligt förekommande fog som används för att sammanföra två arbetsstycken som ligger kant i kant, exempelvis rör i en rörledning. Överlappningsfog används där ytorna istället överlappar varandra (Singh, 2012). I projektet kan både stumfog och överlappningsfog användas för att sammanfoga snabbkopplingens två parter. Dessa fogtyper är vanligt förekommande vid sammanfogning av cylindriska detaljer.

4.1.2 Miljö och hälsa i samband med svetsning

Vid svetsning tillförs stora mängder energi och därmed finns det risk för att brand uppstår. Detta gör att höga krav ställs på både arbetsmiljö och säkerhetsutrustning. Beroende på vilken svetsmetod som används kan farlig strålning bildas, denna leder i värsta fall till permanenta skador (Marlow, 2012).

Arbetsmiljön ska enligt Marlow (2012) vara ren och komfortabel. Det får inte heller förekomma luftdrag, däremot måste ventilation finnas för att förhindra inandning av ångor som uppstår under svetsningen. Rätt skyddsutrustning måste bäras, främst för att skydda ögon, ansikte och kropp. Vanligt förekommande utrustning är därför glasögon, hjälmar, handskar och skyddskläder. Användandet av skyddsutrustning kan däremot variera beroende på om svetsningen utförs manuellt eller automatiserat.

Figur 6: Stumfog (överst i fig.) och överlappningsfog (underst i fig.).

8 4.1.3 Material

Inom svetsning begränsas antalet tillämpningsbara svetsmetoder till vilket material som ska svetsas.

Enligt O’Brien (2015) är en svetsmetod som enbart tillför energi inte passande för svetsning av ett material med hög värme-avvisningsförmåga.

I projektet är materialen som är viktiga att kunna sammanfoga stål, rostfritt stål, mässing och aluminium.

Svetsning av mässing är ovanligt, detta beror på att mässing är en kopparlegering med huvudbeståndsdelar av koppar och zink. När zinkhalten är 20 % eller lägre så har mässing god svetsbarhet, är halten över 20 % så kan den fortfarande svetsas men svetsbarheten försämras. Vid för hög zinkhalt tappar mässing sin förmåga till att svetsas (O’Brien, 2015).

4.2 Limning

Att sammanfoga detaljer genom limning är enligt O’Quinn och Doyle (2011) en kostnadseffektiv metod jämfört med att använda exempelvis skruvförband, det kan även medföra att den sammansatta konstruktionen får en lägre vikt. En annan fördel med limförband är möjligheten att sammanfoga två delar som består av olika material (Ebnesajjad & Landrock, 2015).

4.2.1 Geometri för sammanfogning

I figur 7 visas ett exempel på hur sammanfogning med limförband skulle kunna se ut för cylindriska geometrier. Denna är baserad på ”Landed taper” från Ebnesajjad och Landrock (2015). Kopplingens fram- och bakpart påminner om två rör som ska sammanfogas.

4.2.2 Limning av metaller

Vid limning av metaller krävs noggranna förberedelser för att säkerställa en stark sammanfogning. För att förbereda metall som ska limmas finns flera möjliga steg att tillämpa, vilka steg som används i det enskilda fallet beror bland annat på vad för material som ska användas samt storleken på de detaljer som ska limmas. Ett steg som alltid utförs är rengöring av ytan med något typ av lösningsmedel. Detta lösningsmedel används i en ultraljudstvätt eller motsvarande för bästa resultat (Ebnesajjad & Landrock, 2015).

4.2.3 Härdning

Något som är unikt med limning är det faktum att sammanfogningen behöver härdas. Beroende på vilket typ av lim som används tar detta olika lång tid. Vissa limmer härdar och uppnår sin styrka på några minuter medan andra tar flera timmar, ibland flera dygn. Under härdningen appliceras ett jämt tryck på delarna som sammanfogas för att bland annat minska tjockleken på limfogen och därmed göra den starkare. Vilket tryck och vilken metod som används varierar mellan olika limmer. Trycket kan skapas med hjälp av klämmor, pålagd dödvikt eller i en autoklav. Inom industrin används också ett antal metoder för att korta ner härdningstiden samt öka styrkan hos limfogen. Några av dessa metoder är: värme och strålning (Ebnesajjad & Landrock, 2015).

4.2.3.1 Härdning med hjälp av värme

Värme och tryck används ofta i kombination med varandra. Limmets tillverkare har i produktens datablad angivit vilka härdningstemperaturer som är lämpliga att använda. Viktigt att påpeka är att temperaturen som står i databladet ibland är den temperatur som limfogen ska uppnå, inte den temperatur som ska omge delarna som ska sammanfogas. Detta innebär att temperaturen som omger detaljerna kan behöva vara högre än den som är angiven i databladet. Värmetillförseln görs ofta i en ugn som är anpassad för ändamålet (Ebnesajjad & Landrock, 2015).

Figur 7: Konisk sammanfogningsgeometri

för limförband.

9 4.2.3.2 Alternativa härdningsmekanismer

Med hjälp av strålning kan vissa limmer få en kortare härdtid. Två metoder som förekommer är UV- strålning samt elektronstrålning. Elektronstrålning är den dyrare av de två metoderna men kan vara mer lämplig än UV-strålning i vissa situationer där materialet ej släpper igenom något ljus. Med denna metod behöver materialet med andra ord inte vara transparent för att härdning ska ske. UV-strålning är däremot en billigare metod där limmet inte härdas innan det utsätts för UV-ljus. När limfogen väl utsätts för UV- strålningen så tar det bara några sekunder innan den härdat. Nackdelen är att ljuset behöver komma i kontakt med limmet, därmed kan metoden uteslutas för vissa geometrier och material (Ebnesajjad &

Landrock, 2015).

4.2.4 Miljö och hälsa i samband med limning

Till varje lim som tillverkas finns ett säkerhetsdatablad. I detta datablad återfinns den information som användaren kan tänkas behöva känna till. Detta innefattar exempelvis hur limmet ska förvaras, information om limmets sammansättning, eventuell nödvändig skyddsutrustning vid hantering etcetera.

Även mekaniska egenskaper som brottgräns kan finnas specificerat i databladet.

Redan under det förberedande arbetet kommer användaren utsättas för kemikalier som kan vara ohälsosamma i form av exempelvis starka lösningsmedel. Vid applicering av limmet kan eventuell kontakt med ohälsosamma kemikalier också förekomma. För att underlätta vid identifiering av farliga kemikalier har ett system med färgkoder skapats. Systemet förkortas HMIS (Hazardous Material Identification System) och syftar till att uppmärksamma användaren på vilken typ av försiktighetsåtgärd som bör tillämpas (Ebnesajjad & Landrock, 2015).

4.3 Greppassning

Utifrån konceptviktningsmatrisen bestämdes det att projektet skulle undersöka presspassning. Författarna ansåg dock att liknande metoder bör undersökas och valde därför att studera greppassning i allmänhet.

Greppassning är ett gemensamt namn för olika sammanfogningsmetoder som används för att sätta samman cylindriska detaljer. Metoden bygger på att de två cylindrarna hålls samman med hjälp av friktion och radiellt tryck.

4.3.1 Metoder för greppassning

Som tidigare nämnt finns flera typer av greppassningsmetoder, alla med olika egenskaper. Enligt Childs (2004) lämpar sig stoppskruv, presspassning, kilförband samt bomförband för att hantera högre påfrestningar i axiell led.

4.3.1.1 Stoppskruv

En stoppskruv skiljer sig i utseende mot den traditionella skruven eller bulten. En stoppskruv har oftast ingen skruvskalle och är därmed helt cylindrisk med gängor från topp till botten. Den skruvas i ett genomborrat och gängat hål i navet och lägger an ett tryck på axeln, se figur 8. Detta gör att spelpassning kan användas mellan axel och nav och på så vis bidra till en enklare montering (Childs, 2004).

Figur 8: Stoppskruv.

10 4.3.1.2 Presspassning

Presspassning är den metod där sammanfogning mellan axel och nav sker med hjälp av kraft.

Sammanfogningen sker då en axel förs in i ett nav där navets innerdiameter är mindre än axelns ytterdiameter. Skillnaden i storlek på de två diametrarna gör att axeln måste pressas in i navet, vilket får den att fastna. Pressning sker med exempelvis någon typ av slagdon, manuell- eller hydraulisk press (Collins, Busby & Staab, 2010).

4.3.1.2.1 Krymppassning

För att skapa en starkare presspassning krävs större skillnad på diametrarna vilket kan medföra att sammanfogning med enbart kraft inte är möjligt. Om materialet är någon typ av metall kan ena parten värmas upp för att utvidgas, medan motsvarande part kyls för att krympa. På så vis minskar skillnaden på diametrarna tillfälligt och kan därmed sammanfogas. Då temperaturen hos de båda parterna återgår till ursprunglig temperatur, kommer dessa att vilja återgå till samma storlek som de hade inledningsvis.

Därmed skapas en tajtare greppassning (Collins et al., 2010).

4.3.1.2.2 Lättrad yta

En annan typ av greppassning som påträffades under litteraturstudien är en metod som använder sig av lättring och brotschning. Metoden kan liknas med en blandning av bomförband och presspassning. Navets innerdiameter brotschas och får då spår i axiell led medan skaftet lättras i ringled. Då axeln pressas in i navet deformeras topparna på den lättrade ytan och fyller ut de brotschade spåren. Sammanfogningen som uppstår är såpass stark att denna metod till viss del har ersatt det gamla sättet att tillverka kamaxlar på (Zhang, Kou & Li Kou, 2018).

4.3.1.3 Kilförband

Kilförband är en sammanfogningsmetod som förekommer vid överföring av vridmoment. Vid användning av kilförband så görs ett spår i axeln samt ett motsvarande i navet. Där placeras sedan en kil för att låsa axeln som då inte kan rotera i förhållande till navet, exempel på hur sammanfogning med kilförband kan se ut visas i figur 9. Ett vridmoment kan appliceras på navet, där navet exempelvis är ett kugghjul, som genom kilförbandet får axeln att rotera (Childs, 2004).

Figur 9: Kilförband.

4.3.1.4 Bomförband

Bomförband påminner om kilförband, bestående av fler kilar. Denna metod lämpar sig vid överföring av höga vridmoment där ovan nämnda metoder inte räcker till. Axelns ytterdiameter och navets innerdiameter får kugghjuls-liknande geometri (Childs, 2004).

4.3.2 Material

Hur stark greppassning som kan uppnås beror på vilket material som används. Metall är ett passande

material för exempelvis presspassning där elastiska egenskaper behövs. Detta för att undvika att stora

deformationer eller brott sker vid sammanfogning (Collins et al., 2010).

11

5. Konceptutveckling

I detta kapitel fördjupar sig projektet inom de områden som studerats under litteraturstudien. Här undersöks och utvecklas metoderna: lasersvetsning, limning och presspassning.

5.1 Lasersvetsning

Svetsfogens utseende är en betydande faktor i om svetsmetoden är lämplig för användning eller ej.

Snabbkopplingssortimentet hos CEJN har varierande storlekar och metoden ska kunna tillämpas på både stora och små diametrar. Svetsmetoden måste lämpa sig väl för automatisering. Viktigt är också att metoden har låg värmebildning och spridning i materialet för att inte skada snabbkopplingens inre komponenter som exempelvis gummitätningar. Utefter dessa krav valdes lasersvetsning att undersökas vidare. Lasersvetsning är en relativt ny svetsmetod som snabbt blivit en populär sammanfogningsmetod.

Enligt Katayma (2013) lämpar sig metoden väl för automatisering och är en flexibel svetsmetod som kan användas i flera olika syften.

5.1.1 Geometri för sammanfogning

I figur 10 visas två möjliga svetsmetoder för snabbkopplingen som Katayama (2013) beskriver som

“circular radial weld” och “circular axial weld”. Vid lasersvetsning ska anläggningsytorna mellan parterna vara släta och kanterna på parterna kan fasas för att dölja svetsfogen.

Figur 10: Circular radial weld (till vänster) och circular axial weld (till höger).

5.1.2 Sammanfogning

Vid lasersvetsning skjuts laserstrålen på arbetsstycket och materialet som träffas absorberar laserns energi genom sina fria elektroner. Temperaturen där lasern appliceras uppnår materialets smältpunkt och ett hål bildas. En av de effektivaste lasersvetsningsmetoderna är nyckelhålsvetsning (Katayma, 2013). Vid nyckelhålssvetsning penetreras materialet och förflyttas längs med svetsytan. Metoden ger enligt Svenungsson, Choquet och Kaplan (2015) en fog som är smal och djup där det tomrum som bildas fylls upp av det smälta materialet, när det sedan stelnar bildas svetsfogen.

5.1.3 Material

I projektet är det materialen stål, rostfritt stål, mässing och aluminium som är intressanta att kunna sammanfoga. Stål och rostfritt stål har enligt Katayama (2013) god pålitlighet vid lasersvetsning.

Problemet med lasersvetsning av mässing är att materialet är en legering uppbyggd av koppar och zink.

Koppar reflekterar stora delar av laserstrålen och förhindrar materialet från att bli varmt. Vid lasersvetsning kan sprickor förekomma i svetsfogen på grund av att materialet snabbt avsvalnar, vilket leder till att höga spänningar uppstår under stelningsprocessen (O’Brien, 2015). Zink har en lägre smälttemperatur än koppar och förångas vid 907°C, jämfört med koppar vars smältpunkt är 1087°C (Hugger et al., 2014). På grund av dessa materialegenskaper så lämpar sig inte mässing för lasersvetsning.

Vid lasersvetsning av aluminium uppnås inte samma pålitlighet som med stål. Detta beror på att

materialet, likt mässing, avvisar värmen från laserstrålen. Materialet har även en försämrad svetsbarhet på

12 grund av sin värmeledningsförmåga. Svetsbarheten förändras beroende på vilken aluminiumlegering som ska svetsas (Katayama, 2013). Lasersvetsning kan användas för att svetsa aluminium, men resultatet kommer påverkas av vilken typ av aluminiumlegering som används.

5.1.4 Lasertyper

Inom lasersvetsning finns olika typer av lasrar med olika användningsområden. Enligt Svetskommissionen (2019) så är koldioxid laser och YAG-laser de lasertyper som vanligtvis förekommer inom industrin.

5.1.4.1 Koldioxidlaser

Fördelarna hos koldioxidlaser är att den kan användas vid hög effekt. Koldioxidlaserns stråle utgör en stabil svetsprocess, den har också en lägre inköpskostnad än andra lasrar. Koldioxidlaser med hög effekt har sedan 1970-talet kunnat utföra nyckelhålssvetsning. Av dessa skäl är koldioxidlaser en vanligt förekommande metod i industrin. Några av alla de industribranscher där metoden förekommer är:

bilindustrin, flygindustrin, sjöfartsindustrin samt stålindustrin (Katayama, 2013).

En av nackdelarna med koldioxidlaser är att den inte kan användas tillsammans med fiberoptik på grund av dess långa våglängd. Detta begränsar användningsområdet då de transparenta materialen som används i fiberoptik inte släpper igenom laserstrålens våglängd. Istället förs laserstrålen fram med hjälp av speglar, något som ställer höga krav på noggrann inriktning. Detta begränsar flexibiliteten hos koldioxidlaser (Katayama, 2013).

5.1.4.2 Nd:YAG-laser

Fördelarna hos Nd:YAG-laser, förkortning för neodymium-doped yttrium aluminum garnet, är dess höga prestanda, med god pålitlighet och effektivitet. Laserstrålen har hög precision med god svetskvalité.

Nd:YAG-laser är en flexibel metod och kan därmed användas för svetsning där materialen varierar.

Metoden har fördelen att den kan leverera laserstrålen genom fiberoptik, detta gör att metoden lämpar sig väl till att användas i automatiserade processer. Likt svetsning med koldioxidlaser så har Nd:YAG-laser ett brett användningsområde inom industrin (Katayama, 2013).

5.2 Limning

5.2.1 Geometri för sammanfogning

Vid val av sammanfogningsmetod finns vissa viktiga aspekter att ta hänsyn till. För att uppnå företagets krav gällande produktions- och monteringsvänlighet så behövs någon typ av styrning vid sammanfogning av fram- och bakpart. Detta för att underlätta vid en automatiserad montering samt säkerställa att detaljerna centreras mot varandra. Valet av metod har skett godtyckligt i samråd med företaget utifrån dessa krav, geometrin hos fogen är baserad på Landed taper som ses i figur 7.

5.2.2 Limtyper

För att finna ett passande lim rådfrågades en kontakt som CEJN har på företaget Henkel. Henkel tillverkar och säljer olika limtyper för både industri samt privat bruk. CEJN är redan kund hos Henkel och använder flera av företagets produkter i sin tillverkning.

De krav som limmet behöver uppfylla mottogs från handledaren på CEJN. Kraven var att limmet ska:

klara temperaturer mellan -30 och 90°C, tåla stötar, vara lämpligt för inomhus- och utomhusbruk samt

fungera för de olika material (se tabell 1) som förekommer i CEJNs kopplingar. Utifrån dessa krav gav

kontaktpersonen på Henkel förslag på två limmer: Loctite EA 9497 samt Loctite 638.

13 5.2.2.1 Loctite EA 9497

Loctite EA 9497 är ett tvåkomponents epoxylim. Enligt Cain (2016) är epoxylim kända för att ge hög hållfasthet, de lämpar sig väl för sammanfogning av detaljer som utsätts för värme och kan stå emot angrepp från kemikalier som exempelvis lösningsmedel. Epoxy består av två komponenter, därav benämningen tvåkomponentslim, där ena komponenten är resin och den andra är en härdare. Dessa två komponenter behöver blandas för att skapa ett limförband. Epoxylim används idag inom bilindustrin, flygindustrin etcetera (Cain, 2016). I tekniska databladet för limmet återfinns information om hur dess styrka påverkas av kontakt med olika kemikalier.

5.2.2.2 Loctite 638

Loctite 638 är ett enkomponentslim av typen uretanmetakrylat som företaget Henkel benämner som ett retaining compound. Limmet är anaerobiskt vilket innebär att det kan härda utan tillgång till syre, det kan också härdas med hjälp av UV-strålning. De anaerobiska egenskaperna gör att limmet lämpar sig väl för användning i kombination med exempelvis greppassning, alternativt andra sammanfogningar med ett glapp på upp till 0,25 mm mellan ytorna som sammanfogas (Henkel, u.å.). I tekniska databladet för limmet återfinns information om hur dess styrka påverkas av kontakt med olika kemikalier.

5.2.3 Härdning

Som tidigare nämnts så kan härdningstiden för lim variera från några minuter till flera dygn. Härdtiden för dessa limmer beror på vilka material som sammanfogas, temperatur under sammanfogning, fogens tjocklek samt om någon aktivator används etcetera. Genom att titta i produkternas tekniska datablad kan en uppskattning om förväntad härdtid göras.

5.3 Presspassning

Utifrån de metoder som identifierats för greppassning så valdes presspassning ut för att undersökas närmare. Vid presspassning används simpla geometrier och inga extra komponenter utöver de två parterna behövs, metoden går också att tillämpa utan tillsatsmaterial.

5.3.1 Geometri för sammanfogning

Den geometri som behövs för att sammanfoga detaljer med presspassning bygger på att de två parternas greppytor är cylindriska. Det är sedan toleransen på de cylindriska ytorna och materialegenskaper som avgör hur stark presspassningen blir. För prototyperna valdes tre greppassningstoleranser ut, se tabell 4.

Dessa toleranser hämtades från boken Machine Drawing (Narayana, K.L., Kannaiah & Venkata Reddy, 2006). Toleransklasserna är standardiserade enligt den internationella standarden ISO 286-1:2010.

Tabell 4: Toleranser för presspassning.

Skaft Hål

H7 s6

H7 t6

H7 u6

H7/s6 utgör minst grepp av de tre. Toleransen är vanligt förekommande för ståldetaljer där enbart kraft

krävs för att sammanfoga två parter (Childs, 2004). H7/u6 är den tolerans av de tre som har störst

diametrala grepp, H7/t6 är en tolerans som ligger mellan H7/s6 och H7/u6 enligt ISO 286-1:2010.

14 5.3.2 Lättring

Lättring utförs på cylindriska detaljer genom användning av ett lättringsverktyg. Verktyget är uppbyggt av så kallade lättringstrissor och kan, beroende på vilken lättringsyta som eftersträvas, ha olika rutmönster.

Verktyget används i svarv där lättringstrissorna genom skärning eller tryck bildar lättringen genom att vandra på arbetsstycket (GJS verktyg, u.å.).

5.3.3 Montering

Som tidigare nämnts så sker montering med hjälp av någon typ av press eller slagdon där navet tvingas på axeln. Det är viktigt att parterna är centrerade mot varandra när presspassningen påbörjas för att inte skada dessa. Efter sammanfogning uppstår ett kvarvarande tryck mellan ytorna som tillsammans med friktion motverkar separation (Childs, 2004).

5.3.4 Material

Materialets egenskaper har påverkan på hur stark sammanfogning som kan uppnås. Ett material med högre

elasticitetsmodul, exempelvis ett så kallat automatstål (SS-1914) som för prototypen är 207 GPa, ger ett

högre kontakttryck mellan parterna som sammanfogas än vad som uppstår vid användning av exempelvis

aluminium. Aluminium har en lägre elasticitetsmodul, cirka 71 GPa, vilket innebär att materialet har en

lägre styvhet (Collins et al., 2010).

15

6. Analys och design

I denna del kommer analys och design för de alternativa sammanfogningsmetorna att framföras. Här kommer projektets författare att gå igenom utförda beräkningar och FEM-analyser för samtliga koncept.

6.1 Underlag för design och analys

Prototypens två parter kommer sammanfogas med respektive sammanfogningsmetod, se figur 12 för exempel på sammanfogad detalj. Bakparten kommer att gängas fast i testanordningen och framparten kommer att fungera som ett lock, ett exempel på detta visas i figur 11. Ett flöde kommer sedan att tillföras där trycket ökar tills det att prototypen antingen börjar läcka eller sammanfogningen brister och därmed får framparten att lossna. Utformningen hos parterna kommer att variera beroende på sammanfogningsmetod.

För att finna en utgångspunkt för prototypunderlaget gjordes en ritning med de mått som gör att prototyperna blir kompatibla med testutrustningen hos CEJN, se figur 11. Dessa mått innefattar diameter och djup på det hål som ska gängas för att prototypen ska kunna monteras i utrustningen. I samråd med företaget bestämdes sedan godstjockleken i den del där sammanfogning ska ske till 2,5 mm. Resterande mått är satta för att efterlikna inner- och ytterdiameter hos en kopplingskropp. Vid sammanfogning med lim kommer dock fogytan vara konisk för att följa det underlag som tagits fram under konceptutvecklingen. Loctite 638 kommer användas som lim till prototypen.

6.2 Svetsning

6.2.1 Beräkningar

En beräkning har utförts för att se hur högt tryck som svetsfogen kommer att klara av. I beräkningen används sträckgränsen MPa för materialet. För att beräkna vilket tryck som svetsfogen ska hålla för, behöver spänningen i fogen omvandlas till en kraft. Om spänningen i fogen är känd så kan formeln för normalspänning användas till detta, se formel 1.

(1)

Figur 11: Generella huvudmått för dimensionering av prototyper.

Bakpart Frampart

Figur 12: Exempel på sammanfogad detalj med röd markering för det område där FEM-analysen utförs

Bakpart

Frampart

16 Med och fogens tvärsnittsarea A, fås kraften kN. Med samma formel kan trycket nu beräknas genom att använda kraften i fogen samt den area som trycket verkar på, se figur 13. Det tryck,

som kan appliceras i kopplingen fås då till cirka 160 MPa, motsvarande 1600 bar.

6.2.2 FEM-analys

FEM-modellen har utformats från det underlag som togs fram för att säkerställa att prototypen kan fästas i testutrustningen. I FEM-analysen kommer en svetsfog ligga mellan fram- och bakpart som visas i figur 11.

Detta för att få en bekräftelse på de beräkningar som utförts samt en bild över hur spänningsfördelningen i modellen kommer se ut.

6.2.2.1 Förenklingar

I analysen har de båda parterna sammanfogats till en solid i svetsfogen. Det restspänningstillstånd som uppstår vid sammanfogning av parterna har inte inkluderats i analysen.

6.2.2.2 Genomförande

I figur 14 visas hur modellen för svetsning har modellerats. Området som modellerats kan ses i figur 12. Modelleringen har skett med

“axisymmetric” geometri på grund av modellens rotationssymmetri.

Trycket visualiseras genom pilar och har applicerats genom att använda lastfallet “pressure”, en utbredd last som verkar normalt mot ytan.

Inspänningen av modellen ska simulera gängan i fästanordningen och syns längs med den nedre vertikala kanten. Randvillkoret som används är ett “displacement/rotation” som låser ytan i samtliga riktningar. I fogen har en “partition” används för att dela upp meshen och få noder i svetsfogen, detta underlättar för utläsning av spänningen. För att finna en mesh-storlek som ger ett så verkligt resultat som möjligt har en konvergensanalys utförts i svetsfogen. Elementen som används är av typen ”quad-dominated” som i Abaqus CAE har namnet CAX4R.

Utifrån konvergensanalysen kommer mesh-storleken för att undersöka hur spänningen i fogen växer med det pålagda trycket vara 0,3 mm, vilket motsvarar cirka 2000 element. För konvergensanalys, se appendix C.

Analysen som utförs är linjär, vilket gör att spänningen i fogen kommer att växa linjärt med det ökande trycket i modellen. Vid 1 MPa (10 bar) i pålagt tryck fås en medelspänning i fogen på cirka 2,75 MPa.

Genom att dividera sträckgränsen MPa med 2,75 MPa fås spänningen i fogen

MPa.

Figur 13: Beräkning av maximalt tryck för svetsfog.

𝝈

_𝐬

𝑷

Figur 14: Geometri, randvillkor och lastfall för FEM-analys.

17 Detta bekräftar att de beräkningar som utförts är korrekta då spänningen i fogen blir densamma som vid FEM-analysen. I figur 15 visas spänningsfördelningen i modellen med ett tryck på 10MPa, motsvarande 100 bar.

Figur 15: Spänningsfördelning för svetsmodell med uppskalad deformation.

6.3 Limning

6.3.1 Beräkningar

För limning har beräkningar utförts för att bilda en uppfattning om vilket tryck som limfogen för det valda limmet kommer att hålla för. Figur 16 visar konans geometri som sattes godtyckligt till att variera mellan diameter 32 och 28 mm. Konan gavs längden 10 mm, vilket resulterade i längden mm.

6.3.1.1 Förenklingar

För att kunna utföra beräkningar på limmet har vissa förenklingar gjorts. Den första förenklingen som gjorts är att enbart räkna med internt tryck i axiell led då denna anses ha störst påverkan på fogen. Det antas att limfogen kommer att täcka hela den area som limmet appliceras på med ett jämnt lager. Arean fås genom att använda variabler från figur 16 i formeln för en stympad kon (formel 2).

𝑅 𝑟

𝑠

Figur 16: Geometri för limfog.

18

(2)

Därefter gjordes också antagandet att normalkraftens verkan i axiell led, mellan de ytor där limmet appliceras, är liten i förhållande till skjuvkraftens verkan och kommer därmed inte tas hänsyn till. Detta illustreras i figur 17 där de två vågräta streckade linjerna representerar kraft i axiell led från respektive kraft, normalkraft och skjuvkraft.

Figur 17: Spänningsriktning i limfog.

6.3.1.2 Genomförande

För beräkningarna används data givet i det tekniska datablad tillhörande Loctite 638. Där ges att maximal tillåten skjuvspänning,

, för limmet är 29 MPa. Detta värde används för att beräkna vilken axiell kraft,

, som krävs för att brott ska uppstå i limfogen mellan de sammanfogade detaljerna.

Figur 18: Skjuvkraft.

Skjuvspänningen,

, verkar på konens area och i samma riktning som

i figur 18 I formel 3 beräknas

med vinkeln till ca 27 kN.

(3)

Kraften

appliceras sedan på arean för största interna diametern som för modellen är 30 mm, vilket ger ett tryck

MPa (440 bar).

6.3.2 FEM-analys

För att kunna verifiera att beräkningen för skjuvspänningen som utförts är korrekt, samt för att se hur denne påverkas av trycket som också uppstår i radiell led, har modellen analyserats med FEM. Vid analysen har CAX4R-element av formen quad-dominated använts vilket innebär att dessa element består av mestadels fyra, men ibland även tre noder.

6.3.2.1 Förenklingar

Vid analysen har limfogen inte simulerats som ett material mellan ytorna, utan som ett ”interaction” som i programmet heter ”cohesive behavior”. Detta villkor håller samman parterna med en angiven spänning för limmet. I Abaqus anges denna spänning i tre led:

och

.

är styvhet i normal riktning, medan

och

är styvhet i tangentiell led. Spänningen ges som styvhet multiplicerat med separation.

𝑵

_{𝐭𝐢𝐥𝐥 𝐥𝐢𝐦}

𝑭

_{𝐭𝐢𝐥𝐥 𝐥𝐢𝐦}

𝑭

_{𝐭𝐢𝐥𝐥 𝐥𝐢𝐦}

𝑭

𝐛𝐫𝐨𝐭𝐭 𝐟 𝐫𝐛𝐚𝐧𝐝

19 6.3.2.2 Genomförande

Likt tidigare modellering har “axisymmetric” geometri använts på grund av rotationssymmetri. För att finna ett lämpligt antal element för analysen så gjordes inledningsvis en konvergensanalys. I konvergensanalysen används en graf för att undersöka när spänningen i fogen konvergerar, denna ses i appendix C. Utifrån analysen kommer mesh-storleken 0,3 mm att användas för att undersöka vilken skjuv- och normalspänningen som uppstår i limfogen vid pålagt tryck. Mesh-storleken motsvarar cirka 3700 element.

och

(Červenka, Jendele & Červenka, 2018) beräknades med en elasticitetsmodul given av kontaktpersonen på Henkel där MPa.

Beräkning av dessa görs med skjuvmodulen och limmets tjocklek mm, se formel 5 och formel 6. Skjuvmodulen beräknas i formel 4 (Sundström, 2016) med poissons tal .

(4)

(5)

(6)

I figur 19 visas geometrin för de två parter som ska sammanfogas samt randvillkor och lastfall. Området som modellerats kan ses i figur 12. Randvillkoret är satt på den nedre partens innerdiameter som en

”displacement/rotation” för att simulera gängan i testanordningen. Trycket som appliceras på är samma som används i beräkningen (kap. 6.3.1.2) och visualiseras i figur 19 med pilar. Med trycket 44 MPa uppstår en skjuvspänning i fogen på 29 MPa och därmed antas tidigare beräkningarna att stämma.

6.4 Presspassning

6.4.1 Beräkningar

Vid beräkningar av presspassning har olika toleranser undersökts för att bilda en uppfattning kring hur högt tryck som förbandet kan klara av innan det brister, samt för att kunna jämföra toleranser mot varandra. Viktigt är också att innerparten inte deformeras under sammanfogning för att undvika att skada kopplingens inre komponenter. Vid presspassning påverkar längden på greppytan vilken axiell kraft som förbandet kan ta upp, vilket också har undersökts.

6.4.1.1 Förenklingar

Beräkningarna för presspassning har enbart baserats på det tryck som uppstår i greppytan mellan parterna till följd av sammanfogningen. Detta innebär att det applicerade tryckets eventuella påverkan på det diametrala greppet ignoreras.

Figur 19: Limfogens randvillkor och last.

20 6.4.1.2 Genomförande

Vid beräkning av belastningar används beteckningarna som visas i figur 20 för inner- och ytterpartens radier. Vid sammanfogning agerar bakparten hane och framparten hona. Där måttet mm är hanens innerradie, mm är hanens ytterradie samt honans innerradie och mm är honans ytterradie. Vid beräkningar av presspassning används de materialegenskaper för stål som tidigare nämnts i tabell 2.

Det tryck , som uppstår under presspassningen mellan parterna kan identifieras med formel 7 (Childs, 2004). I formeln är δ det diametrala greppet. Minsta diametrala grepp för tolerans H7/s6 ger trycket MPa.

[ ( )

(

)]

(7)

Den axiella kraften,

, som krävs för att separera parterna beräknas med formel 8 (Collins et al., 2010), där är diametern på hanen och längden på honan. I formeln används trycket som beräknats med formel 7. Med MPa fås den axiella kraften till

N.

(8)

Med formel 9 kan sedan det tryck,

som krävs för att brott mellan parterna ska uppkomma (separera) beräknas. I formeln är mm, radien på den yta som flödet appliceras på. Med

N fås

MPa.

(9)

I figur 21 visas det tryck,

, som i axiell led krävs för att brott ska uppstå mellan parterna för de olika toleranserna, samt längden på greppytornas påverkan. Dessa beräkningar är gjorda med formel 7, 8 och 9 där det minsta diametrala grepp som tillåts inom de tre toleransklasserna använts. Från grafen går det att se hur trycket ökar linjärt med längden på greppytan.

Figur 20: Variabler för presspassning.

21

Figur 21: Presspassning, tryck i förhållande till längd på fog för minsta diametrala grepp.

Vid presspassning är det också viktigt att de inre komponenterna inte skadas under sammanfogningen, därav bör hanens diametrala deformation vara minimal. Deformationen kan beräknas med formel 10.

(

) (10)

För största möjliga diametrala grepp inom toleransklass H7/u6 blir trycket MPa, beräknat med formel 7. Detta ger att deformationen som uppstår i hanen är mm och är den största deformation som i teorin kan ske för de tre toleransklasser som undersökts.

6.4.2 FEM-analys

Presspassningen har modellerats i FEM för att få en bekräftelse på de beräkningar som utförts. Resultatet från FEM-analysen kan skilja sig något från tidigare beräkning (kap. 6.4.1.2) på grund av att hela geometrin nu har inkluderats. Detta för att få en mer realistisk bild av hur spänningen kommer att se ut i modellen. I FEM-analysen används det minsta diametrala greppet för tolerans H7/s6.

6.4.2.1 Förenklingar

I FEM-modellen har enbart kontakt mellan greppytorna tillåtits för att undvika att resultatet påverkas av singulariteter som annars kan uppstå i hörn.

6.4.2.2 Genomförande

Likt tidigare analyser har “axisymmetric” geometri använts. För att simulera en presspassning mellan de två parterna användes ”predefined fields” som gör det möjligt att utsätta modellen för en bestämd temperatur. Temperaturen används för att simulera värmeutvidgning i bakpartens material och därmed skapa det diametrala greppet. För att beräkna vilken temperatur som behövs för att uppnå det minsta diametrala greppet för tolerans H7/s6, mm, används formel 11. I formeln används längdutvidgningskoefficienten

, enligt figur 20 samt radiella greppet

mm.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 10 20 30 40 50

T ry ck [MP a]

Längd på fog [mm]

Presspassning

H7/u6 min

H7/t6 min

H7/s6 min