EXAMENSARBETE
Universitetstryckeriet, Luleå
Mattias Ekström
Förbättring av fixturering
-för ökad kvalitet vid bearbetning av växelhus
HÖGSKOLEINGENJÖRSPROGRAMMET Maskinteknik
Luleå tekniska universitet
Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Produktionsutveckling
2008:034 HIP • ISSN: 1404 - 5494 • ISRN: LTU - HIP - EX - - 08/034 - - SE
2008:034 HIP
SAMMANFATTNING
Detta examensarbete handlar om hur uppspänningen av slutväxelhus i fixturer kan förbättras för att erhålla bättre rundhet på slutväxelhusets lockhålsdiameter. Arbetet har utförts
hos företaget GETRAG All Wheel Drive i Köping. Slutväxeln är en av komponenterna i GETRAG:s fyrhjulsdrift som fördelar kraften från motorn till bakhjulen. Slutväxelns ytterhölje kallas slutväxelhus och är tillverkat i aluminium.
Slutväxelhuset spänns fast i en fixtur i en av företagets bearbetningsmaskiner kallad ”Heller 4” där det bearbetas i en rad olika operationer varvid den största innerdiametern med ett mått på 158 mm blir orund i tillverkningen. För att komma till rätta med vad det är som orsakar den orunda diametern så har teori i ämnet studerats och personer på företaget intervjuats. För att bilda sig en uppfattning av problemet så har praktiska erfarenheter hämtats direkt på plats i produktionen. Sedan har egna idéer skapats där vissa provats praktiskt.
Från idéerna har det utförts tester i maskinen för att komma fram till vad som är
orsaken/orsakerna till den orunda diametern. Utifrån testerna har slutsatser dragits om vad som är störande faktorer och hur man ska minimera dessa. Det som har konstaterats är att det byggs in spänningar i slutväxelhuset vid inspänning. Sedan bearbetas diametern samtidigt som de andra ytorna på huset. Innan huset släpps loss är orundheten inom tolerans. Men när det släpps loss ur fixturen så släpper de inspända spänningarna så att diameterns orundhet hamnar utanför tolerans.
Experiment har utförts på fixturen så att spänningarna i slutväxelhuset minskat vid inspänning och orundheten har därmed hamnat inom tolerans. Skulle vissa experiment kunna tillämpas på dagens produktion så skulle orundheten hamna innanför den givna toleransen. Arbetet har visat att ju mer man minskar på påskjutarnas och spännjärnens spännkrafter desto mindre deformationer blir det i aluminiumhuset.
ABSTRACT
The project “Förbättring av fixturering” (”Fixture improvement”) is based on the Rear Drive Unit (RDU). The RDU is a component in GETRAG´s four-wheel drive which distributes the power from the engine to the rear wheels. The RDU´s framework consists of a RDU housing and that housing is the subject for this report.
The aluminum RDU Housing is clamped on a fixture in one of GETRAG:s milling machines called “Heller 4”. The machining of the RDU is carried out in several steps where one of those steps includes machining the circular surface. To understand what is causing the circular surface to fall out of tolerance theoretical studies has been made as well as interviews with GETRAG employees familiar to the problem.
Based on the thoughts and ideas that came up during the studies and interviews, a series of tests has been made. Conclusions based on the test results of what the disturbing factors were and how to minimize these was established. One major factor was that stresses were built in to the housing when clamped on the fixture. When the housing is released from the fixture after machining it resumes its origin shape and thus distorting the machined circular shape.
During performed experiments with the fixture it was possible to get the circular surface within tolerance. If the method used during the experiments would be applicable on the production process the problem with the circular surface being out of tolerance would be solved.
FÖRORD
Detta examensarbete utgör det sista i min utbildning som maskiningenjör på Luleå Tekniska Universitet. Arbetet har utförts på GETRAG All Wheel Drive beläget i Köping. Det har varit en ära för mig att få möjlighet att göra ett förbättringsprojekt på detta företag eftersom jag har jobbat där tidigare och därigenom lärt känna anställda på företaget samt att kunna gynna ett närliggande högteknologiskt företag
Vill tacka Therese Ekström som varit min handledare och Hans Engström som varit min examinator under arbetets gång som alltid ställt upp på frågor och funderingar. Ett stort tack till Fredrik Gunnarsson som lagt ner stor del av sin arbetstid på diskutera kring problemet och hjälpt till rent praktiskt. Vill även tacka Magnus Andersson, Mats Bergius, Gunnar Ek
Anders, Anders Gustafsson, Anders Gyllestad, Pär-Olof Lincoln, Ulf Selldin, Tord Ljungkvist, Atso Tolvanen samt personalen i mätrummet.
INNEHÅLL
1 INLEDNING ...1
1.1 PROBLEMFORMULERING ...1
1.2 MÅL/SYFTE...1
1.3 OM PRODUKTEN ...1
1.4 OM PROCESSEN ...3
1.5 OM PROBLEMET ...3
1.6 MÄTRUTINER ...4
1.7 AVGRÄNSNINGAR ...4
2 TEORI ...5
2.1 AUTOMATISERING ...5
2.2 GRUNDPRINCIPER VID KONSTRUKTION AV FIXTURER ...5
2.2.1 Lönsamhet för fixturer ...6
2.2.2 Lokalisering av ytor att spänna emot ...7
2.3 RENGÖRING ...7
2.4 TOLERANSSÄTTNING ...7
2.5 OLIKA SORTERS VARIATION ...7
2.6 FORM OCH LÄGESTOLERANSER ...8
2.7 ANPASSA SKÄRKRAFTER EFTER ARBETSSTYCKET ...8
2.8 MÄTNING ...8
2.9 DIAMANTSKÄR ...8
3 METOD ... 10
3.1 FÖRÄNDRING AV SKÄRDJUP ... 12
3.2 FÖRSÖK OCH FÖRSÖKSRESULTAT ... 12
3.2.1 Försök 1 ... 12
3.2.2 Försök 2 ... 13
3.2.3 Försök 3 ... 13
3.2.4 Försök 4 ... 13
3.2.5 Försök 5 ... 13
3.2.6 Försök 6 ... 14
3.2.7 Försök 7 ... 15
3.2.8 Försök 8 ... 15
3.3 IDÉER/LÖSNINGAR ... 16
3.4 BESÖK HOS FIXTURTILLVERKAREN ... 19
4 RESULTAT, DISKUSSION OCH SLUTSATS ... 20
5 REFERENSER ... 21
1
1 INLEDNING
Detta inledande kapitel beskriver vilket problem och syfte denna rapport behandlar och vad som är målet med den. Arbetet är på 15 högskolepoäng och därför måste arbetet begränsas vilket även tas upp.
1.1 PROBLEMFORMULERING
Huvudproduktionen för GETRAG AWD är slut- och vinkelväxlar för fyrhjulsdrift i
personbilar. Ytterhöljet av dessa växlar består av ett aluminiumhus. Eftersom kunderna hela tiden ställer högre och högre krav pga. ökad konkurrens så måste de vara så billiga som möjligt att tillverka så att slutpriset kan hållas lågt. Genom att tillverka lätta aluminiumhus så spar man på materialkostnaderna samtidigt som bilarna i slutänden blir lättare och
kompaktare. Husen konstrueras så att de klarar krafterna när de är monterade i bilen med en viss säkerhetsmarginal men krafterna som går åt vid fixturering och bearbetning blir för höga så att de flexar. Detta leder till att den största diametern som kallas för lockdiametern i slutväxeln RDU C394 blir orund i tillverkningen. Företaget vill ha kunskap om varför diametern blir orund och hur det ska lösas.
1.2 MÅL/SYFTE
Syftet med examensarbetet är att företaget ska kunna tillverka liknande aluminiumhus i framtiden med större noggrannhet så att man fortfarande kan tillverka tunna
aluminiumkonstruktioner med givna toleranser. Arbetet ska även fylla de krav som Luleå tekniska universitet ställer på en C-uppsats.
1.3 OM PRODUKTEN
Kraftöverföringen mellan motor och bilens hjul sker via GETRAG:s AWD-system, se fig. 2.
Kraften från växellådan överförs till vinkelväxeln som fördelar kraften till framhjulen och kardanaxeln. Kardanaxeln överför kraft till haldexkopplingen som ser till att föra vidare kraft till slutväxeln när det behövs. Slutväxeln fördelar kraften mellan bakhjulen och det är den som examensarbetet handlar om kallas inom företaget för RDU C394. Slutväxeln består av en mängd olika detaljer där huvuddelen består av ett aluminiumhus med en komplicerad
geometri som arbetet handlar om, se fig. 1.
2 Slutväxeln fördelar kraften mellan
bakhjulen. Nedväxling till lägre varvtal.
Haldexkopplingen AOC (Active On demand Coupling) sköter
fördelningen av kraften mellan framhjul och bakhjul
Vinkelväxeln som sitter ansluten på växellådan för kraften bakåt till Haldexkopplingen.
Uppväxling till högre varvtal.
Fig. 2 (Källa: GETRAG AWD (2008)) Fig. 1 Explode på en komplett
slutväxel (Källa:Tord Ljungqvist)
3 1.4 OM PROCESSEN
Slutväxelhuset RDU C394 kommer som en gjuten produkt till GETRAG och är gjort av en värmebehandlad aluminiumlegering. Huset bearbetas av en fleroperationsmaskin kallad
”Heller 4” på företaget. I den maskinen utförs en rad olika operationer för att få rätt mått och ytfinhet på husets geometri. För att huset ska sitta fast i maskinen så finns där en fixtur som håller fast det stadigt i en viss position. Lockdiametern bearbetas först med en grovborr och sedan med en finborr.
1.5 OM PROBLEMET
Eftersom fixturen är byggd för att klara all bearbetning på slutväxelhuset så är det begränsat med utrymme på hur fixturen får se ut så att inte verktyg i maskinen krockar med den. Detta leder till att fixturen inte kan byggas helt optimalt vilket gör att den kan skapa spänningar i slutväxelhuset pga. ostabilitet.
Det finns inga rundhetskrav men det finns en min och max-diameter och när man då gör en tvåpunktsmätning så hamnar diametern utanför toleransen pga. orundheten, se fig. 3. Det har dock bevisats att diametern får sin runda form av att RDU-locket sätts dit och därför har man gjort ett undantag och mäter medeldiametern istället, men blir diametern för orund så blir det problem att få dit locket vid monteringen, därför vill företaget minska orundheten. (pers. kom.
Fredrik Gunnarsson)
Fig. 3 Bild på slutväxelhuset där lockdiametern är markerad med gult. (Källa: Anders Gyllestad)
4 1.6 MÄTRUTINER
Var 40:e aluminiumhus (ca 12 st./dygn) lämnas in till företagets mätrum för kontrollmätning så att alla mått ligger inom tolerans, om måtten inte stämmer så behöver maskinen kanske kalibreras. Studerar man resultaten så är orundheten mellan 20-50 µm på radien, dvs. enda upp till 0,1 mm i diameterskillnad. Alla lockdiametrar ser grafiskt ungefär likadana ut i formen vilket betyder att det är något statiskt fel.
1.7 AVGRÄNSNINGAR
För att arbetet inte skulle bli för stort så studerades aluminiumhuset som det var störst problem med och det var slutväxelhuset till slutväxeln RDU C394 (Rear Differential Unit).
De tester som gjordes för att identifiera problemet var de som gick att tillämpa direkt i maskinen/fixturen samt simuleringar med hjälp av datorer.
5
2 TEORI
I detta kapitel förklaras grunderna vid bygge av en fixtur.
2.1 AUTOMATISERING
”Automatisering innebär att en anordning, avsedd att utföra någon process, förses med sådana tillsatser att anordningens funktion blir helt eller delvis blir helt oberoende av mänskligt ingripande och övervakning.” Man kan säga att man ersätter den mänskliga arbetskraften. Det finns många anledningar till att man vill automatisera, nedan följer några av de viktigaste anledningarna:
• Effektivisering av produktionen och lägre produktionskostnader
• Låta en maskin utföra ett arbete som en människa inte klarar av
• Låta en maskin utföra ett arbete som för en människa annars skulle vara monotomt, tungt eller farligt vilket därigenom skapar trevligare arbetsmiljö
• Behovet av kvalificerad arbetskraft minskar
• Tillverka produkter med högre kvalité och noggrannhet
I de flesta fall inom automatiseringen så behövs det fixturer eller jiggar. (Lindfors, 2008, s.1)
2.2 GRUNDPRINCIPER VID KONSTRUKTION AV FIXTURER Det viktigaste när man konstruerar fixturer är tänka på att det ska gå så fort som möjligt att spänna fast en detalj på rätt position. Det ska gå lätt och snabbt att lyfta ur och i detaljen man jobbar med. När en detalj bearbetats färdigt i en fixtur så är det viktigt att alla mått hamnar innanför toleranserna och ännu hellre så nära målvärdet som möjligt. För att detta ska vara möjligt så är det viktigt att produkten har anläggningsytor som fixturen kan spänna emot och även att fixturen inte flexar eller har dåliga toleranser. Det är viktigt när man konstruerar en fixtur så att detaljen som ska spännas fast alltid hamnar i rätt läge, skulle detaljen hamna lite snett så kan mått hamna utanför toleransen och produkten kanske måste kasseras vilket innebär att man tillverkar skrot. Man kan tänka sig att man har en liten fabrik i fabriken som bara tillverkar skrot som man inte får betalt för. (pers. kom. Stig Björkdahl) Fixturen ska hålla detaljen tillräckligt stadigt för bearbetning men utan att detaljen flexar av spännkrafterna. En detalj kan ha spännklackar, man kan säga att det är som öron som sticker ut som fixturen kan spänna i. Dessa spännklackar på detaljen ska sitta så att de stabiliserar detaljen så mycket det går så att inte materialet börjar vibrera eller ge vika vid bearbetning. När bearbetning sker så ska helst kraftkomposanterna gå mot spännpunkterna. Många fixturer fungerar bra i början men slits eller fungerar dåligt p.g.a. att spån kommer i vägen så att rörliga delar börjar kärva mm. Helst vill man ha så få rörliga delar som möjligt för att undvika detta. Ofta är den totala vinsten lägre med en fixtur som går snabbt att arbeta med men som kräver mycket service än en fixtur som det går lite långsammare med men som är mer underhållsfri.
Konstruktörens bedömning och tidigare erfarenheter är den viktigaste punkten vid
konstruktion av fixturer. Det går inte att tillämpa generella regler när man konstruerar fixturer
6 utan man måste studera den enskilda komponenten från fall till fall. Det är åtråvärt att göra
dessa fixturer så lätta som möjligt, smidiga att handskas med och även kosta så lite pengar som möjligt att tillverka men det som väger upp mest är såklart att fixturerna ska klara av att hjälpa maskin och människa att producera så många produkter som möjligt på kortaste möjliga tid, men fortfarande med rätt kvalité.
Fixturen får inte heller bli för lätt så att den börjar vibrera, den bör ha en del egentyngd så den står stadigt. Det är även viktigt att alla vassa hörn och kanter är gradade och
avfasade så att man inte gör sig illa eller skär sig på fixturen.
Vanligtvis så har en fixtur några uppspänningspunkter som detaljens
spännklackar vilar på. Fixturen har spännjärn som spänner fast detaljen i spännklackarna.
Spännklackarna på detaljen är oftast gjutna och aldrig helt raka så för att inte fixturen ska bryta i dem så är det bra om
uppspänningspunkterna och spännjärnen inte har för stor anläggningsyta som skapar brytkrafter. Antalet stöd som detaljen vilar på bör vara tre då den ligger i jämvikt, se fig. 4.
Har man en eller två fot/fötter så ligger inte detaljen stabilt och har man fyra fötter eller fler så blir fastspänningen överdefinierad, då måste stöden och klackarna vara exakta vilket går i teorin men inte i praktiken. Minsta skevhet skulle göra att detaljen inte ligger spänningsfritt i fixturen. När man fler stöd än tre så byggs det upp spänningar i detaljen från
stöden och spännjärnen. (The industrial press, 1942, s.1)
2.2.1 LÖNSAMHET FÖR FIXTURER
För att det ska vara lönsamt att bygga en fixtur till åt fabrik så måste det produceras tillräckligt många detaljer så att tidsbesparingen att använda fixturen ska täcka bygg och servicekostnaderna. En fixtur har till uppgift att hålla fast varje arbetsstycke på rätt position när man t.ex. ska borra ett hål eller fräsa en yta. För att fixturen ska komma till nytta så måste varje detalj från början se likadana ut utan för stora avvikelser.
Det är inte bara takten som ökar med hjälp av fixturer, man kan även optimera maskinen så att man kan erhålla höga toleranser. När det görs stora serier så blir det även motiverat att köpa in bättre verktyg vilket både ökar takten och precisionen. (The industrial press, 1942, s.1)
Fig. 4. Positionering enligt 3-2- 1-metoden. (Källa: Hågeryd, 2002, s.296)
7 2.2.2 LOKALISERING AV YTOR ATT SPÄNNA EMOT
Vid all skärande bearbetning finns det ytor som kan användas som utgångsytor att spänna emot, ytor som inte behöver någon bearbetning. Dock så är det oftast oklart vilken. Det är konstruktörens uppgift att ange detta då det är konstruktören som är mest insatt i hur de olika verktygen som bearbetar rör sig i tillverkningen, fixturen får inte vara i vägen för dessa. Om beredare/verktygskonstruktörer är osäkra så får de inte chansa utan måste fråga hur
konstruktören har tänkt sig.
(Lindfors, 2008, s.18)
I beredningen bör man jobba i grupp och i första fasen drar man upp riktlinjer för:
• Operationsföljd och antal operationer
• Maskingrupper/avdelning
• Behov av fixturer och mätverktyg (Hågeryd, 2002, s.230)
2.3 RENGÖRING
Ett misstag som lätt görs är att man glömmer bort rengörningen mellan detaljen och fixturen.
Om det ligger kvar spån mellan väggarna så kommer detaljen snett så att måtten kanske hamnar utanför tolerans så man blir tvungen att kassera detaljen. Det är viktigt att fixturen byggs så att det är lätt att se om det finns skräp på känsliga platser som måste tas bort och även så att operatören ser om detaljen ligger rätt i fixturen. Det är även bra att bygga in givare i stöden som trycks in och känner av om detaljen ligger rätt. (The industrial press, 1942, s.9)
2.4 TOLERANSSÄTTNING
Vid tillverkning av produkter så finns det målvärden som man vill eftersträva så långt det går.
Dock är det i princip omöjligt att hamna exakt på dessa målvärden då det alltid finns en viss variation pga. olika slags störfaktorer som inte går att få bort helt och hållet. Därför behöver man i allmänhet bestämma ett toleransintervall. Vid toleransbestämning måste man ta hänsyn till kundens kostnader och tillverkarens egna. Större spridning leder till större förlust för kunden. Håller man en snävare spridning så kostar det däremot mer för tillverkaren. Därför är det rimligt att hålla summan av kundens och tillverkarens kostnader så låga som möjligt.
(Bergman, 2007, s.223)
2.5 OLIKA SORTERS VARIATION
Det finns många slags variationer. Ibland är det bra men oftast till besvär. Vid mekanisk bearbetning kan variationen ske pga. lagerglapp, temperaturskillnader,
luftfuktighetsförändringar, defekt på mätverktyg mm. Men det kan också bero på den mänskliga faktorn. Det finns två olika slags variation, urskiljbar och slumpmässig variation.
Den urskiljbara variationen beror på urskiljbara orsaker vilket innebär statiska förändringar, dvs. förändringar som ser ungefär likadana ut varje gång. De slumpmässiga variationerna är de övriga orsakerna som skapar slumpmässig variation som oftast är svårare/dyrare att råda
8 bot på. Det finns ingen klar gräns mellan urskiljbara och slumpmässiga variationer, det beror mycket på hur mycket kunskap som finns om processen. (Bergman, 2007, s.234)
• Variation och störfaktorer för en produkt har stor betydelse för om kunden är nöjd eller inte.
• Variationens känslighet beror på konstruktionslösningen.
• Variationens känslighet kan ändras under hela utvecklingsarbetets gång men är effektivare ju tidigare den sker. (Bergman, 2007, s.226)
2.6 FORM OCH LÄGESTOLERANSER
Ett mycket använt sätt att informera om hur detaljen ska se ut är att ange formen och läget hos ett element. Formtoleransen finns för att visa vilket område en linje eller yta får variera
mellan medan lägestoleransen beskriver inom vilket område läget hos en punkt, linje, yta eller symmetriplan får variera. (Hågeryd, 2002, s.23)
2.7 ANPASSA SKÄRKRAFTER EFTER ARBETSSTYCKET Det är inte bara spännkrafterna som behöver anpassas efter arbetsstycket utan även
bearbetningen. Det är viktigt att anpassa bearbetningen så den inte skapar för stora krafter vid tunnväggiga eller veka konstruktioner. Blir det för höga skärkrafter så kan det uppstå
vibrationer och liknande så att arbetsstycket förstörs. (Lindfors, 2008, s.23)
2.8 MÄTNING
Mätning ska bli rätt oberoende vem det än är som mäter eller vart det görs och ska kunna göras utan att mätosäkerheten är för stor. När man mäter så finns det ett storhetsvärde och en mätosäkerhet. Storhetsvärdet är det värdet som operatören läser av från mätverktyget.
Mätosäkerheten är en tolerans för det mätverktyg man mäter med.
• Mätning – Användning av mätverktyg som bestämmer storleken på ett visst mått med en viss mätosäkerhet.
• Tolkning – Med ett fast mätverktyg provar man om ett visst mått ligger inom tolerans eller inte.
• Gränsindikering – Med givare och varningsenhet framställer om ett mått är inom tolerans eller inte, t.ex. staplar på en monitor som visar värdena på en monitor.
• Okulärkontroll – En detalj kollas av det mänskliga ögat. (Hågeryd, 2002, s.16)
2.9 DIAMANTSKÄR
Diamant är det hårdaste materialet man känner till. Det finns naturligt men kan även
tillverkas. Diamant består enbart av kolatomer och har därför en nackdel. Diamant klarar inte allt för höga temperaturer utan omvandlas lätt till kol vid temperaturer över 750-850°C. Men diamant har fördelar om man jämför mot hårdmetall. Risken för löseggsbildning är inte lika stor då svarvningen inte blir lika varm som med hårdmetallsskär. Detta gör att man kan ha
9 ökat varvtal och därmed högre arbetstakt. Diamantskären är 10 ggr gånger dyrare (pers.kom.
Magnus Andersson) men används de under rätt förhållanden så kan det hålla uppemot 50 ggr längre än ett hårdmetallsskär vilket leder till färre justeringar och färre skärbyten så det kan vara mer lönsamt att använda diamant ändå.
10
3 METOD
För att förstå problemet bättre så förklaras nedan hur fixturen fungerar när den spänner fast aluminiumhuset, se fig. 5.
• På varje
uppspänningsplats finns det tre st.
uppspänningspunkter som bildar ett
uppspänningsplan. På dessa punkter lägger man aluminiumhuset.
• Två påskjutare
(lilafärgade, nr 1 och 2) skjuter in
aluminiumhuset mot två st. anslag (de
orangefärgade).
• Påskjutare nr. 3 skjuter huset så det ligger i låst läge i sidled mot sista anslaget (också orangefärgat).
• Till sist sitter det tre st.
spännjärn (grönfärgade) som först vrider in sig över spännklackarna på aluminiumhuset
(markerade med röda punkter) och sedan spänner rakt ner så att huset sitter fast.
Fig. 5. Bild när slutväxelhuset ligger i fixturen. De olika detaljerna är redigerade till olika färger för att det
ska vara lätt att se och förstå (Källa: Egen)
11 Uppspänningspunkterna har taggar för att greppa tag i materialet men som är lite avfasade så att huset ändå ska kunna glida på rätt plats utan att fastna när påskjutarna skjuter det på plats.
Det har tidigare laborerats med hur mycket kraft som åtgår för att huset ska sitta fast stadigt vid bearbetning men utan att klämma för mycket så att det deformeras. I dagens läge så trycker påskjutarna med 30-50 kg och spännjärnen med ca 300 kg. Förra året när problemet med den orunda lockdiametern var ännu värre så konstaterade man att det var spännjärnen som flexade och drog huset i sidled så att det deformerades. Detta löste man genom att sätta en fjädrande pinne i varje spännjärn. Det blev den fjädrande pinnen som tryckte mot
spännklackarna som på det viset tog bort brytningarna från spännjärnen.
Maskinerna som används av företaget i dagens läge har ett roterande bord med två sidor.
På varje sida sitter det två fixturer. Det betyder att när ena paret fixturer är inne i maskinen för bearbetning så kan operatören lossa och spänna fast nya detaljer under tiden i de två andra.
Varje par har en oljeledning som ger tryck till spännjärn och påskjutare. Eftersom påskjutarna och spännjärn går i olika följd så måste turordningen skötas mekaniskt inuti fixturen med hjälp av olika ventiler. Det sitter även tryckstegrare som gör att spännjärnen får högre hydraultryck än vad grundtrycket är och därmed gör att spännjärnen får mer spänntryck än påskjutarna.
Slutväxelhusen gjuts i sandformar som sedan förstörs. Sedan tvättas de innan de kommer till GETRAG för bearbetning. Även fast de är tvättade så finns det fortfarande kvar sandpartiklar i väggarnas ytor. Lockdiametern som det är problem med bearbetas först med en grovborr med två st. hårdmetallskär. Anledningen till att man använder hårdmetallskär till grovborren är för att de klarar av att bryta aluminiumytan med sandpartiklar i utan att skären nöts ner allt för fort. Borren borrar med varvtalet 4000 varv/min och matningen 1000 mm/min. Sedan finbearbetas diametern med en finborr som har ett enda skär med diamantbeläggning.
Diamantskäret använder man för att det blir mindre skärkrafter och håller längre än med hårdmetallskär vilket leder till att det inte behöver bytas lika ofta och därmed spar man både tid och arbete. Borren har tre stödlister som ligger ann och släpar mot lockdiameterns yta samtidigt som diamantskäret bearbetar för att stödja verktyget så att diametern ska bli så rund som möjligt. Om allt är rätt inställt så blir det en blank yta från stödklackarna. Varvtalet för finborren är 1000 varv/min och har en matning på 165 mm/min. (pers. kom. Fredrik
Gunnarsson)
Spännarmarna som spänner fast slutväxelhusen ska vara så korta som möjligt för att vara stabila. Är de för långa så flexar de och flexningarna gör att huset belastas i sidled vid inspänning. Är de långa så blir det även mer brytkrafter i spännarmens länkage.
Uppspänningspunkterna som sitter idag är av tre olika varianter. Ena uppspänningspunkten har en plan yta med en diameter på 7 mm. De andra två har en anläggningsyta på 12 mm i diameter och har taggiga ytor s.k. grips för att huset ska fastna bättre och inte röra på sig under bearbetning. Den ena uppspänningspunkten med grips är en kula som ligger i en skål så att den kan vicka lite grann. När man lägger aluminiumhuset på kulan så kan den då anpassa sig om spännklacken på huset skulle vara sned vilket gör att man minimerar brytkrafter i huset.
Det har gjorts undersökningar på hur påskjutarna påverkar slutväxelhuset och enligt en nyligen gjord mätning så mätte man diametern på en färdigbearbetad bit, sedan spändes den
12 fast i fixturen och mättes upp igen. Då visade det sig att aluminiumhusets lockhålsdiameter
inte ändrade mått nämnvärt. (pers. kom. Ulf Selldin) 3.1 FÖRÄNDRING AV SKÄRDJUP
Tidigare så hade grovborren skär som inte var ställbara, detta för att minimera felinställningar från operatörer. Nackdelen är just att det då inte går att justera skären om man skulle vilja det.
Tidigare tog grovborren bort 2,5 mm radiellt material och sparde 0,5 mm radiellt till
finborren. Enligt verktygstillverkaren MAPAL så bör finskäret ha ett skärdjup på 0,25 mm för optimalt resultat. För att kunna ställa in grovskäret så beställde företaget nya grovborrar med ställbara skär under exjobbets gång. (pers. kom. Magnus Andersson)
3.2 FÖRSÖK OCH FÖRSÖKSRESULTAT
Under arbetets gång har det skapats idéer som sedan provats i praktiken. Nedan följer de tester som har gjorts i turordning.
3.2.1 FÖRSÖK 1
Syfte: Från egna tidigare erfarenheter så är det inte ovanligt att metaller har inbyggda
spänningar, dvs. spänningar i materialet som hålls emot av hur konstruktionen ser ut, se fig. 6.
Om man då avverkar material så blir vissa av dessa spänningar frisläppta så att det material som är kvar deformeras. Utifrån det antagandet så skulle det kunna ha en betydelse för slutväxelhusets orunda lockdiameter.
Beskrivning: När grovbearbetningen utförs så avverkas material och då kan det vara så att det släpper spänningar i materialet som gör att huset ändra form. Sedan skär
finborren bort ytterst lite material och borde därför inte påverka lika mycket som grovbearbetningen se kapitel 3.1. Om det har frigjorts spänningar i huset när grovbearbetningen är utförd hålls de emot av spännjärnen som fortfarande håller fast huset. Därför behövde huset spännas loss och sedan spännas fast igen. För att prova hur den teorin stämde så lät vi
avbryta maskinen efter
grovbearbetningen så att fixturen släppte inspänningen av huset. Sedan spändes huset fast igen i maskinen så att grovskäret i princip bara gick i luften. Då blev det endast
finskärningen som tog bort material ur lockdiametern.
Fig. 6 Här ser man hur metallen har böjt upp sig efter att två spår har sågats i ett fyrkantigt
stålrör. (Källa: Egen)
13 Slutsats: Diametern mättes upp och orundheten hamnade på 35 µm vilket var ungefär som det brukar vara, se kapitel 1.3. Det betyder att testet inte påverkade något och att orundheten inte beror på inbyggda spänningar.
3.2.2 FÖRSÖK 2
Syfte: Ta reda på när i processen diametern blir orund.
Beskrivning:
För att se om felet tillkommer redan vid grovbearbetningen så avbröts maskinen efter att huset var grovbearbetat.
Slutsats: Huset mättes upp i mätrummet av Kenneth Tingvall. I den mätningen så var orundheten 25 µm radiellt. Det visar att diametern blir orund redan vid grovbearbetningen.
3.2.3 FÖRSÖK 3
Syfte: Ta reda på om fixturen skapar spänningar i slutväxelhuset.
Beskrivning: För att se om det är fixturen som skapar spänningar i huset så spändes ett
färdigbearbetat hus upp i fixturen. Diametern mättes med en tvåpunktsklocka i 8 olika vinklar innan huset sattes in i fixturen och sedan även när det var fastspänt. Från fritt läge till det inspända så skilde det som mest 3 µm på radien.
Slutsats: Formfelet på huset som mättes var 29 µm så skillnaden som testet gav var endast ca 10 % bättre när det var fastspänt.
3.2.4 FÖRSÖK 4
Syfte: Ungefär samma test som försök 3 men att ett obearbetat slutväxelhus gick igenom maskinen och bearbetades, se kapitel 3.2.3. Den här gången släpptes aldrig huset loss efter bearbetningen vid mätning.
Beskrivning: Lät ett aluminiumhus bearbetas i maskinen och innan det släpptes loss från fixturen så mättes diametern upp i 8 olika vinklar. Orundheten radiellt var då 8 µm. Sedan släpptes spännkrafterna och diametern mättes igen. Då blev orundheten 50 µm.
Slutsats: I det här testet så var det betydliga skillnader mellan fastspänt och inte fastspänt.
Innan det släppte loss så var rundheten fullt acceptabel. Varför det blev sådan stor skillnad jämfört mot försök 3 har det inte bildats någon teori om, se kapitel 3.2.3.
3.2.5 FÖRSÖK 5
Syfte: Ta reda på om fixturen skapar spänningar i slutväxelhusets ena spännklack och i så fall om det påverkar orundheten.
14 Beskrivning: För att få bort oönskade spänningar i X och Y-led så lades det bladmått mellan spännklacken på lockdiameterns vägg. Sedan skruvades spännjärnet och påskjutaren bort som går emot spännklacken för att inte skapa några spänningar. Detta gjorde att det endast var två spännjärn och två påskjutare inverkade, lät dessa spänna fast huset och sedan togs bladmåtten bort. Sist så skruvades det sista spännjärnet tillbaka så att det spände på spännklacken.
Därmed säkerhetsställdes det att det inte fanns några spänningar i X och Y-led i spännklacken eftersom det då blev ett litet mellanrum mellan aluminiumhusets spännklack och de fasta anslagen där bladmåtten hade legat (innan sista spännjärnet skruvades åt så kunde man känna att huset med lätthet kunde vickas upp och ner lite grann vid spännjärnet som var bortkopplat vilket tyder på att det inte blir några betydande brytkrafter från de andra två spännjärnen).
Slutsats: Efter det mätte Kenneth Tingvall upp lockdiametern i mätrummet och orundheten var 10 µm radiellt. Eftersom orundheten vanligtvis brukar ligga på 25-50 µm så experimentet gav ett lyckat resultat. Från experimentet så kan man dra slutsatsen att huvudorsaken till de orunda lockdiametrarna är att fixturen skapar spänningar mot spännklacken som sitter på lockdiameterns vägg.
3.2.6 FÖRSÖK 6
Syfte: Att få bort oönskade sidospänningar från spännjärnen.
Beskrivning: Det sitter redan små vipparmar för varje spännjärn som ska kunna flexa så att inte spännjärnen ska trycka huset i sidled vid åtspänning om de flexar. Men för att prova om dessa vipparmar verkligen räcker till så gjordes ett försök där några egentillverkade rullplattor lades mellan spännjärnen och spännklackarna, se fig. 7. Anders Gustafsson tillverkade runda stålplattor med plana ytor som hade tjockleken 2 mm och diametern 15 mm. Varje rullagring bestod av två plattor med några kulor mellan som hade diametern 4 mm. Dessa tejpades ihop med eltejp och vulktejp så att det blev rullagringar med lågt motstånd i sidled.
Gjorde ett prov där dessa rullagringar lades emellan. Men när maskinen hade gått en stund så började den låta illa så processen fick avbrytas. Då visade det sig att ett av maskinens verktyg hade tryckt av ena
spännjärnet för att det tog för mkt plats på höjdled pga. den extra rullagringen som låg mellan.
Lockdiametern hade ändå hunnit bearbetas. Stålplattorna var dock inte tillräckligt hårda så det hade blivit gropar från kullagerkulorna så funktionen blev inte helt tillförlitlig.
Slutsats: Försöket blev misslyckat
eftersom stålplattorna inte tålde trycket. Däremot så blev det bekräftat att det är ont om Fig. 7. Visar hur rullagringen ser ut.
(Källa:egen)
15 utrymme i maskinen eftersom ena spännjärnet endast behövdes en höjning av 8 mm för att
maskinens skulle krocka med det.
3.2.7 FÖRSÖK 7
Syfte: Samma som försök 5 men med lite modifieringar.
Beskrivning: Den här gången härdades rullagringarnas stålplattor så att de tålde trycket.
Sedan ersattes ena spännjärnets tryckpinne mot en vanlig skruv som tog mindre plats så att försöket kunde genomföras utan att maskinen krockade.
Slutsats: Orundheten mättes upp till 27 µm vilket innebar att spännjärnen inte verkade skapa några oönskade spänningar i slutväxelhuset. Från försök 5 så bevisades det att spännjärnen inte skapar några betydande krafter i Z-led på spännklacken på lockdiameterns vägg och när även krafterna i X och Y-ledd är minimerade så riktades misstankarna till att det var
påskjutarna som skapar deformationer, se kapitel 3.2.5.
3.2.8 FÖRSÖK 8
Syfte: Få bort kraften från påskjutarna och jämföra det försöket mot ett nytt likadant försök som försök 5.
Beskrivning: För att få bort krafterna från påskjutarna så togs de bort helt och hållet. Istället sköts huset in i rätt läge för hand i den ena fixturplatsen. I den andra fixturplatsen upprepades försök 5, se kapitel 3.2.5. Sedan bearbetades de i maskinen samtidigt.
Slutsats: Husen mättes med en digital tvåpunktsmikrometer och visade att båda husen låg inom tolerans och därmed skickades de till mätrummet där de gjordes ett mätprotokoll av vardera huset. Enligt protokollen så var orundheten radiellt 9 µm för huset där ena
spännklacken avlastades och 11 µm för huset utan påskjutare. Alltså så beror den största delen av den orunda diametern på att påskjutarna trycker på huset så att det deformeras.
Mätrummet gjorde grafiska bilder på de två försöken och formen på dessa var ganska lika varandra samt att orundhetsskillnaderna endast var på 2 µm, se fig. 8, a, b och c. Jämför man graferna mot lockdiametern på ett verkligt slutväxelhus så ser man att formfelen ligger på ungefär samma ställe som husets vägg varierar. Detta kan troligtvis vara ett samband och ha att göra med att väggen flexar pga. skärkrafterna vid bearbetningen.
16 3.3 IDÉER/LÖSNINGAR
Ju mer man minskar på påskjutarnas och spännjärnens spännkrafter desto mindre
deformationer i aluminiumhuset blir det. Men det måste ändå sitta fast vid bearbetning. Helst vill man att det ska glida lätt när det skjuts in i sitt läge men att det ska greppas fast när det kläms åt. Skulle man kunna göra taggarna på uppspänningspunkterna så vassa som möjligt så skulle huset inte behöva klämmas fast lika hårt. Taggarna skulle dessutom hjälpa till att hålla emot huset bättre mot deformering från sidokrafter som kan skapas från spännjärnen. För att huset ska glida lätt när påskjutarna skjuter det på plats så behövs något som lyfter upp det från taggarna i början. För att lösa detta så skulle man kunna använda en fjädrande mantel med en slät yta runt uppspänningspunkterna som huset kan glida på till en början. När spännjärnen
Fig. 8a visar grafen från när spännklacken på huset är avlastad och Fig. 8 b på huset som har spänts fast utan påskjutare. Fig. 8 c visar grafen från hur hålet kan se ut i vanliga fall. (Källa: mätrummet)
Fig. 8 a Fig. 8 b
Fig. 8 c Fig. 8 a
17 spänner åt så är det tänkt att mantlarna ska fjädra ner så att spännklackarna trycks ner i de
vassa taggarna. Som tidigare nämnts så vill man minimera rörliga detaljer men detta skulle ändå kunna vara en lämplig åtgärd.
Enligt försök 8 så är det påskjutarna som skjuter in aluminiumhuset till rätt läge i fixturen som skapar problem, se kapitel 3.2.8. Spännklacken på lockdiameterns vägg tar upp krafterna så att diametern deformeras och blir orund vid inspänning. Därför måste dessa kunna släppa på trycket innan spännjärnen spänner åt för att minska spänningarna som byggs in i huset. Dock är detta svårt i dagens maskiner eftersom det endast finns en enda oljeledning in till fixturen som ger oljetryck till påskjutare och spännjärn, se kapitel 3. Eftersom spännjärn och
påskjutare sköts mekaniskt inuti fixturen med hjälp av ventiler och tryckstegrare mm. så måste alla dessa få plats i fixturen. För att kunna få fler funktioner så kanske det behövs fler ventiler men eftersom det är ont om utrymme i fixturen redan som det är så blir det svårt att lösa. Det skulle vara bättre att ha två oljeledningar, en för påskjutare och en för spännjärn. Då kan man enklare ställa spännkraften för påskjutarna utan att spännjärnen påverkas och vice versa. Med denna funktion så skulle man kunna låta påskjutarna trycka på med en viss kraft så att huset glider in i sitt läge i fixturen och sedan släppa till ett hålltryck på t.ex. 20 % av det som åtgår av att skjuta huset på plats. Skulle denna funktion tillämpas så skulle
förhoppningsvis problemet med de orunda lockdiametrarna minskas så pass mycket att diametrarna hamnar inom tolerans.
Det blir spänningar i spännklacken som sitter på lockdiameterns vägg har det konstaterats via försök 5, se kapitel 3.2.5. Fick hjälp av Tord Ljunqvist att simulera en kraft på 350 N på spännklacken. Enligt simuleringen så rör sig lockdiameterväggen som mest ca 8 µm inåt.
Väggarna uppe och nertill på bilden rör sig utåt.
Fig. 9 Simulering av 350 N enligt den gula pilen (Källa: Tord Ljungqvist)
18 För att få bort dessa krafter från spännklacken så skulle man kunna flytta anslag och
påskjutare till något annat ställe på aluminiumhuset och då till något stabilare ställe så att man inte bara flyttar på problemet. Man skulle t.ex.
kunna flytta alla påskjutare och anslag till de andra två spännklackarna, se fig.
10. Ena spännklacken har gjorts lite längre för att påskjutaren ska kunna trycka där. Det skulle då endast vara påskjutaren som trycker från vänster i bild som kan skapar deformationer i huset. Av de andra så går kraften rakt igenom klacken ut till anslaget på andra sidan.
För att jämföra mot dagens fixtur så gjordes en simulering på hur en av de nya påskjutarna skulle påverka huset. Det gjordes en simulering i datorn så att en kraft på 350 N trycker över
spännklackarna, se fig. 11. Det lite större hålet på gaveln trycks ihop som mest ca 2-3 µm vilket är en klar förbättring jämfört mot tidigare.
Fig. 10. Idé på hur fixturen skulle kunna se ut.
(Källa:egen)
Fig. 11. Simulering av 350 N enligt den gula pilen (Källa: Tord Ljungqvist)
19 3.4 BESÖK HOS FIXTURTILLVERKAREN
Under exjobbets gång så byggdes den nya generationens fixturer hos företaget Sejfo där Atso Tolvanen visade mig runt. Till skillnad mot förut så konstruerades den för 2-tempokörning d.v.s. att bearbetningarna ska göras i två olika uppspänningar. Detta gör att man får mer utrymme på att bygga en fixtur. Till skillnad mot förut så har man även använt mer av
utrymmet i maskinen så att fixturen har fått mer plats. Man hade specificerat hur stor fixturen fick vara men i verkligheten kunde den vara större. Detta gjorde att man fick större svängrum för fixturen så att man kan bygga den stabilare. (pers. kom. Per-Olof Lincoln)
Med de nya förutsättningarna så har spännjärnen kunnat flyttas till mer fördelaktiga platser.
Hydraulcylindrarna har kunnat flyttas närmre spännklackarna på slutväxelhuset vilket gör att spännarmarna blivigt kortare och därmed stabilare, se fig. 12 a och b. De sitter även rakt emot varandra så de inte drar snett i huset om de skulle flexa (pers. kom. Ulf Selldin) Även
påskjutarna ser annorlunda ut. Från ena hållet har det tidigare funnit två st. påskjutare men på den nya fixturen har dessa ersatts med en enda påskjutare i mitten. De nya
uppspänningspunkterna var alla på 8 mm i diameter och hade taggar.
Fig. 12 a. Ett av
spännjärnen i de gamla fixturerna. (Källa: egen)
Fig. 12 b. Ett av spännjärnen i de nya fixturerna som spänner över samma spännklack som fig. 12a.
(Källa: egen)
20
4 RESULTAT, DISKUSSION OCH SLUTSATS
Från detta arbete har jag fått en hel del lärdom. Den största lärdomen har skapats genom att prata med folk på företaget. Genom att bolla idéer så har nya idéer lyfts fram och vissa
avfärdats. Jag hoppas att företaget kommer ha användning av det jag har kommit fram till och kunna använda informationen till framtida maskinval/fixturer.
Redan i dagens fixtur kan man tillämpa en av idéerna genom att byta ut
uppspänningspunkterna mot några som har vassare taggar och med fjädrande mantlar med släta ytor. Huset kan då glida lätt när det skjuts på plats men sitter ändå stadigt när det spänns fast och trycks ner i taggarna vilket gör att krafterna för både påskjutare och spännjärn kan minskas, se kapitel 3.3.
Från de praktiska försök som har gjorts så har det bevisats att det är fixturen som skapar spänningar i slutväxelhuset som gör att lockdiametern blir orund efter bearbetning, se kapitel 3.2.5. Det är till största del påskjutarna tillsammans med de fasta anslagen som trycker ihop huset under bearbetning, se kapitel 3.2.7 och 3.2.8. Det är därför viktigt att kunna styra krafterna för påskjutarna på ett kontrollerat sätt. För att kunna styra påskjutare och spännjärn mer kontrollerat och att kunna låta påskjutarna variera kraft under uppspänning så bör maskinen antingen byggas om eller bytas ut så att det finns flera oljetrycksledningar, t.ex. ett trycksystem för påskjutare och ett för spännjärn, se kapitel 3.3. Då kan man styra påskjutare precis som det behövs utan att oljetrycket till spännjärnen påverkas.
Från de lyckade provbitarna som har tagits fram så beror troligtvis de sista variationerna på att slutväxelhuset flexar. Det kan bero på att utsidan av lockdiameterns vägg är tunn och
osymmetrisk så att den flexar pga. skärkrafterna från svarvstålet, se kapitel 2.7. Detta kan kanske minskas genom att ändra på skärdata och skärvinklar så att de radiella krafterna minskar under bearbetning. Förändringar skedde redan under det här arbetets gång genom att ändra på grovskäret så att det tar 0,25 mm mer på diametern så att det blir grundare skärdjup åt finskäret, se kapitel 3.1. Företaget borde titta ytterligare på om det går att ändra skärvinklar så att de radiella krafterna i borrningen minskar. Ändrar man skärvinklar så kan det dock uppstå vibrationer men eftersom borrverktyget har stödlister så kanske det går att gå utanför de normala gränserna något.
För framtida konstruktioner av fixturer tycker jag att man ska tänka på så långt det går att sätta påskjutare och fasta anslag så de trycker på så stabila ställen som möjligt för
tunnväggiga detaljer som ska bearbetas, se kapitel 3.3. Då påverkas inte detaljen lika mycket av krafterna från påskjutarna. Därmed minskas problemen men får påskjutarna inte plats så blir man ju ändå tvungen att kompromissa.
21
5 REFERENSER
Publicerat material
Bergman B., Klefsjö B. (2007). Kvalitet, från behov till användning. ISBN 978-91-44-04416- 3
Franklin D. Jones. (1942) JIG AND FIXTURE DESIGN, NEW YORK: THE INDUSTRIAL PRESS. ISBN
Hågeryd, Björklund, Lenner. (2002) Modern Produktionsteknik Del 1, Göteborg: Liber AB.
ISBN 91-47-05091-8
Lindfors K. Produktionsteknik 1, MPR010, Verktygsmaskiner, fixturer, Luleå:
Studentlitteratur
Internt material
GETRAG All Wheel Drive AB (2008) Internt informationsmaterial
Muntliga referenser
Andersson Magnus, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 23 40, mander93@getrag.se Bergius Mats, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 27 20, mbergius@getrag.se Björkdahl Stig, MDH, Eskilstuna, 021-10 13 76, stig.bjorkdahl@mdh.se Ek Gunnar, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 20 90, gek1@getrag.se
Ekström Therese, GETRAG AWD, Köping, 0221- 76 25 80, tekstrom@getrag.se Gunnarsson Fredrik, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 20 15, fgunnars@getrag.se Gustafsson Anders, GETRAG AWD, Köping, 0221- 76 24 24, agustaf8@getrag.se Gyllestad Anders, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 23 19, agyllest@getrag.se Lincoln Per-Olof, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 22 49, plincoln@getrag.se Ljungkvist Tord, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 26 48, tljungk2@getrag.se Tingvall Kenneth, GETRAG AWD, Köping, 0221-76 27 45, ktingval@getrag.se Tolvanen Atso, Sejfo Engineering AB, Köping, 0221-34 12 2, atolvanen@sejfo.se
