Rigg för varmextrusion av metallspån

AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ

Avdelningen för industriell ekonomi, industridesign och maskinteknik

Rigg för varmextrusion av metallspån

Olle Fantenberg Persson 2020

Examensarbete, Grundnivå (högskoleexamen), 15 hp Maskinteknik

Maskiningenjör, Co-op

Förord

Det här arbetet är slutuppgiften för min utbildning på maskiningenjörsprogrammet vid Högskolan i Gävle. Där jag har fått använda mina kunskaper som jag lärt mig under min utbildning.

Jag vill tacka min handledare Kourosh Tatar för vägledning, rådgivning och hjälp under arbetets gång, samt Patrus Athir och Per Blomqvist för vägledning och råd.

Detsamma gäller för Dario Senkic och Thomas Carlsson i hus 45 som hjälpt till med rådgivning vid utförda experiment.

Sammanfattning

Extrusion är en formgivningsprocess där metall hettas upp till dess

rekristallationstemperatur och pressas genom en matris. Öppningen som materialet pressas igenom formar materialet. Det finns två olika typer av extrusion: direkt och indirekt extrusion. Där skillnaden mellan dem är hur materialet pressas genom matrisen. Vid direkt extrusion pressas materialet mot matrisen med en så kallad presstämpel och materialet extruderas i samma riktning som presskraften. Indirekt extrusion genomförs genom att pressa matrisen mot materialet, materialet

extruderas i motsatt riktning till presskraften. Ett önskemål från Högskolan i Gävle är att kunna extrudera spån från skränade bearbetning av lågkolhaltigt stål. En hydraulisk press och två matriser finns tillgängliga vid Högskolan men utrustning för att hålla i matrisen saknas. Därför önskar högskolan en rigg som möjliggör

varmextrusion. Arbetets syfte är att undersöka möjligheten att extrudera

inhomogena stålämnen för att kunna återvinna stål utan omsmältning och därmed mer miljövänligare än omsmältning. Målet är att ta fram ett teoretiskt

konstruktionsförslag och ritningar på en rigg som möjliggör extrusion av metallspån.

Framtagningen av riggen började med litteratursökning där målet var att få en förståelse för vilka huvudsakliga delar som ingår i extrusionsprocessen. Utifrån litteratursökningen togs en lista med behov fram för att veta vilka funktioner riggen ska ha. Därefter togs en kravspecifikation fram som baserades på fysiska begräsningar för pressen som ska användas, säkerhet vid användning och funktion. Med

brainstorming togs förslag fram till behoven. Varje förslag jämfördes mot kravspecifikationen och de förslag som uppfyllde alla kraven kombinerades med varandra för att ta fram olika koncept. Två koncept valdes ut för vidare utveckling vilket resulterade i två modeller för direkt respektive indirekt extrusion.

Arbetet har resulterat i fyra olika riggar: En rigg för direkt och en för indirekt extrusion, där varje extrusionsmetod har en rigg som är tvådelad och en rigg som är solid (inte tvådelad). Där den tvådelade varianten kan möjliggöra enklare åtkomst till den extruderade stången. Både vid direkt och indirekt extrusion kommer matriserna ligga på riggarna som är ihåliga och den extruderade stången kommer extruderas under matriserna. Spånen som ska extruderas kommer förpressas i en behållare som är av samma material som spånen. Spånen kommer sedan extruderas tillsammans med behållaren. Vid direkt extrusion kommer behållaren centreras mot matrisen med en container och behållaren pressas mot matrisen med en

presstämpel. Vid indirekt extrusion kommer containern sänkas ned över behållaren och matrisen för att centrera dem mot varandra. Containern kommer sedan

användas som presstämpel och pressa behållaren mot matrisen.

Abstract

Extrusion is a design process where the material is heated and pressed through a metal disc, called a die. The opening through which the material is pressed through forms the material. There are two different types of extrusion: direct and indirect extrusion. Where the difference between them is how the material is pressed through the die. In direct extrusion, the material is pressed against the die with a so- called stem and the material is extruded in the same direction as the pressing force.

Indirect extrusion is carried out by pressing the die against the material, the material is extruded in the opposite direction to the compressive force. One wish from the University of Gävle is to extrude chips from chip cutting machining of low-carbon steel. A hydraulic press and dies are available at Högskolan i Gävle, but equipment for holding the die is missing. Therefore, Högskolan i Gävle wants a rig that holds the die and allows extrusion. The objective of the work is to contribute with theoretical design proposals of a rig that allows extrusion. The aim is to develop a theoretical design proposal on a rig that allows extrusion of metal chips.

The development of the rig began with a literature study where the goal was to get an understanding of the key components in the extrusion process. Based on the literature study, a list of what functions the rig must have was developed.

Afterwards requirements for the rig were developed based on physical limitations for the press to be used, conditions that makes the rig safe to use and functionally requirements. With brainstorming, suggestions were made to achieve the functions of the rig. Each suggestion was compared against the requirements and the

suggestions that meet all the requirements were combined with each other to produce different concepts. Two concepts was selected for further development resulting in two different models for direct extrusion and two for indirect extrusion.

The work has resulted in four different rigs: one rig for direct and one for indirect extrusion, where each extrusion method has a rig that is two-part and one rig that is solid (not two-part). Where the two-part variant can allow easier access to the extruded bar. In both direct and indirect extrusion, the die will lie on the rigs which are hollow and the extruded rod will be extruded under the die. The chips to be extruded will be pre-pressed in a canister that is of the same material as the chips.

The chips will then be extruded together with the canister. Upon direct extrusion, the canister will be centered against the die with a container and the canister will be pressed against the die with a stem. In the case of indirect extrusion, the container will be lowered over the cansiter and the matrix to center them against each other.

The container will then be used as a stem and press the canister against the die.

Innehåll

1 Introduktion ... 1

1.1 Syfte och mål ... 1

1.2 Avgränsningar ... 2

1.3 Etiskt övervägande ... 2

2 Extrusion ... 3

3 Process ... 5

3.1 Tillgänglig utrustning ... 5

3.2 Kravspecifikation ... 6

3.3 Konceptframtagning ... 7

3.4 Parvis jämförelse ... 8

3.5 Konstruktion ... 9

3.5.1 Diameter på matris ... 9

3.5.2 Presskraften för direkt extrusion ... 11

3.5.3 Rigg för direkt extrusion ... 12

3.5.4 Rigg för indirekt extrusion... 13

3.5.5 Tvådelade riggar ... 13

3.5.6 Bottenplattans fästelement ... 14

3.5.7 Riggarnas höjd ... 14

3.5.8 Arbetsflöde och Funktionsbeskrivning ... 15

3.5.9 Tryck och töjning i containrarna ... 15

3.5.10 Toleranser ... 17

3.5.11 Innerradie på riggarna ... 18

3.5.12 Diameter på bottenplattan ... 19

3.5.13 Beräkning av knäcklasten ... 19

3.6 Förpressning av spån ... 19

4 Resultat ... 22

4.1 Konceptsållningsmatris ... 22

4.2 Riggen ... 22

4.3 Material ... 26

4.4 Funktionsbeskrivning ... 27

4.5 Arbetsflöde ... 29

5 Diskussion ... 32

5.1 Fortsatt arbete ... 35

5.1.1 Förbättra riggarna 1.2 ... 35

5.2 Funktionsmässig förbättring ... 36

5.3 Tillverkning av riggen ... 36

6 Slutsatser ... 38

Referenser ... 39

Bilaga A ... 1

Bilaga B ... 1

Bilaga C ... 1

Bilaga D ... 1

1 Introduktion

Återvinning och återanvändning av material ger mindre klimatpåverkan än att köpa in och använda nytt material. Att återvinna stål genererar 75-87 % mindre koldioxid än att framställa nytt stål ur järnmalm; metaller kan dessutom återvinnas flera gånger [1] [2]. Vid återvinning av metaller separeras de olika typerna av metaller och smälts sedan ned [2]. Att smälta metallen är energikrävande, om återvinningen kan genomföras utan omsmältning skulle mindre energi krävas.

Vid spånskärnade bearbetning uppstår spillmaterial i form av spån. Spånen kan återanvändas på olika sätt. I tidigare studier [3] [4] [5] [6] har till exempel spån av aluminium förpressats och varmextruderats. I en av studierna [3] har aluminiumspån av legeringen AA6060 kallpressats (rumstemperatur) i en cylinder innan

extrusionsprocessen och den pressade cylindern uppnådde 78 % av aluminiums densitet. Haase med flera [4] använde kallpressning för att förpressa aluminiumspån.

Med kallpressning kunde en densitet på cirka 80 % av aluminiums densitet uppnås.

Även fast spånen förpressats pressades de ihop ännu mer inuti containern när extrusionsprocessen började.

Aluminium ett av de mest dominerande materialen för extrusion men det

förekommer även extrusion av stål. Vid extrusion av aluminium är inte smörjmedel nödvändigt men vid stål är det nödvändigt [7]. Dessutom har aluminium lägre smältpunkt (extrusion sker under smälttemperatur) än vad stål har.

Ett önskemål från Högskolan i Gävle är att kunna varmextrudera spån från skärande bearbetning av lågkolhaltigt stål för att ta reda på om spånen kan bilda solida stänger.

Stängerna kan undersökas för att ta reda på de mekaniska egenskaperna och där ifrån fastställa vilka användningsområden stängerna kan användas i. Tillgängligt på

Högskolan finns en hydraulisk press, två matriser och tre ugnar. Utöver det behövs en rigg som möjliggör varmextrusion av spånorna.

1.1 Syfte och mål

Syftet är att undersöka möjligheten att extrudera inhomogena stålämnen för att kunna återvinna stål utan omsmältning. Att återvinna stål utan omsmältning är mindre energikrävande än att smälta stålet och därför mer miljövänligt.

Målet är att ta fram ett konstruktionsförslag och ritningar på en rigg för tillverkning av logkolhaltiga stålämnen, utan omsmältning, genom återvinning av spån från skärande bearbetning via varmextrusion.

Frågor som ska besvaras under arbetets gång:

- Vilka delar ska finnas med i riggen och vilken funktion har dem?

- Hur kan ett konstruktionsförslag se ut och hur kan extrusionsprocessen gå till?

- Hur kommer håligheterna mellan spånen påverka dimensionen på det material som ska extruderas?

1.2 Avgränsningar

Studien avser endast att ta fram ett teoretiskt konstruktionsförslag av en rigg, inte tillverka den eller göra produktionsberedning. Riggen anpassas bara efter de matriser och den press som finns tillgänglig vid Högskolan i Gävle. Utrustningen är avsedd för småskalig användning vid Högskolan i Gävle och optimeras därför inte mot användning för massproduktion. Materialet som fokuseras på att extrudera är S355J2 (materialet är varmvalsat utan normalisering). Materialsammansättningen är:

C=0,18 %, Si=0,3 %, Mn=1,5 %, P<0,025 %, S=0,03 % [8].

1.3 Etiskt övervägande

Arbetet förväntas bidra med teoretiska lösningar som kan användas för återvinning av spillmaterial. Om spånen extruderas kan de mekaniska egenskaperna på den extruderade komponenten undersökas. Beroende på resultatet kan möjliga tillämpningsområden fastslås eller hitta potentiella utvecklingsmöjligheter för metoden. Om metoden skulle lämpa sig för ändamålet skulle det vara en återvinningsmetod som kräver mindre energi i förhållande till kommersiell

återvinning eftersom materialet inte uppnår smälttemperatur. Materialet kan formas till olika geometrier, både med solida tvärsnitt och ihåliga.

a)

b) a)

2 Extrusion

Extrusion är en process där materialet formges genom plastisk deformation. Vid extrusion av metaller värms materialet upp till dess rekristalationstemperatur och placeras i en kammare, så kallad container. Med hjälp av en cylinder, så kallad presstämpel, pressas materialet mot en matris. Trycket gör att materialet pressas igenom matrisen och får geometrin av öppningen. När materialet pressas igenom öppningen får materialet en mindre tvärsnittsarea men större längd. En liten del av materialet kommer inte extruderas utan stanna kvar i containern. Detta beror på de stora riktningsändringarna som krävs för att extrudera resten av materialet, den del som blir kvar kallas discard.

Extrusion kan genomföras på två olika sätt, direkt eller indirekt. Direkt extrusion, se figur 1a, innebär att det uppvärmda materialet pressas genom matrisen med ett tryck bakifrån av en presstämpel. Presstämpeln och det extruderade materialet rör sig i samma riktning. Vid indirekt extrusion, se figur 1b, pressas istället matrisen mot det uppvärmda materialet med presstämpeln och containern förseglas baktill.

Det extruderade materialet rör sig alltså i motsatt riktning mot matrisen.

Extrusion används för att framställa bland annat rör och stänger. Dessutom kan metoden användas för detaljer som inte är rotationssymmetriska. De material som extruderas mest är aluminium, aluminiumlegeringar, koppar och kopparlegeringar.

Det förekommer även extrusion av bland annat kolstål, rostfritt stål och volfram [7].

För att minimera friktionen mellan materialet och containerns innerväggar kan glas användas som smörjning [10], där det uppvärmda materialet rullas i glaspulver eller strösslas med glaspulver. Då glaset smälter erbjuder det inte bara smörjande

egenskaper, det isolerar även värmen [11]. Utöver glaspulvret kan även en glasring placeras på matrisen [11] [10].

Fördelar med indirekt extrusion är att friktionen mellan det uppvärmda materialet och containerns väggar blir mindre. Vilket innebär att nödvändig presskraft blir mindre [7].

a) b)

3 Process

Framtagning av riggarna gjordes med en iterativ process, se figur 2 för

flödesschema. Där behov och krav för riggarna togs fram för att sedan ta fram konstruktionsförslag, med hjälp av en brainstorming-process, som uppnådde behoven och kraven. De första konstruktionsförslagen betygsattes med ett

poängsystem som baserades på vilka krav konstruktionsförslagen uppfyllde. De två riggarna med mest poäng valdes ut för vidare utveckling, där riggarnas fördelar användes för att ta fram nya konstruktionsförslag med samma fördelar.

Figur 2: Flödesschema för processen under arbetets gång

3.1 Tillgänglig utrustning

Vid Högskolan i Gävle finns en hydraulisk press av märket Form+ Test Seidner, modell D-7940. Se figur 3. Totala höjden mellan pressplatta och topplatta är 320 mm, om hela topplattan och fästelementet, se figur 3, skruvas loss och ersätts med en tunnare topplatta på cirka 20 mm blir totala höjden 440 mm. Pressens maximala presskraft är 3000 kN. Pressplattans diameter är 320 mm och topplattans diameter är 300 mm. När pressen används är det pressplattan som rör sig upp mot topplattan.

Figur 3: a) Den tilltänkta hydrauliska pressen för extrusion av spånor (ringen markerar topplatta och

Kravspecifikation

•Tillgänglig utrusning

•Litteraurstudie

Konceptframtagning

•Brainstorming

•Kombinering

Konstruktion

En matris finns tillgänglig där den är 150 mm i ytterdiameter och tjockleken är 40 mm, se figur 4. Matriserna kan extrudera stänger med diametern 26,5 mm.

Figur 4: Tillgänglig matris. D1=150 mm, D2=26,5, tjocklek=40 mm, källa: eget material.

Vid Högskolan i Gävle finns tre ugnar av modellen Nabertherm L3/11 B410.

Ugnarnas inre dimensioner är: bredd=150 mm, höjd=90 mm, djup 150 mm.

Ugnarna har möjlighet att värmas upp till 1100 °C.

Dimensionerna för tillgänglig utrustning användes som indata i kravspecifikationen.

3.2 Kravspecifikation

För att veta vad riggen ska uppfylla upprättadess en lista med behov och kan hänvisas till steg 1 inom produktutveckling enligt K.T Ulrich och S.D Eppinger [20] för att identifiera behoven för målmarknaden. Dessa behov är avgörande för att

extrusionsprocessen ska kunna genomföras. Behoven som krävs för extrusion togs fram med litteratursökningen. Där utgångspunkten för litteratursökningen var att hitta vilka delar som ingår i en extrusionsprocessen och hur processen fungerar.

Utifrån litteratursökningen fastställdes vilka delar som har vilken funktion i

processen. De huvudsakliga delarna som ingår i extrudeirngsprocessen är: Matrisen som materialet som extruderas pressas mot. Containern där materialet som ska extruderas läggs in i. Presstämpeln som pressar materialet som ska extruderas mot matrisen, alternativt pressar matrisen mot materialet beroende på om det är direkt eller indirekt extrusion. Dessa funktioner var grund för behoven. Behoven som sattes upp för riggen är:

- det ska finnas en container som innesluter materialet som ska extruderas - matrisen ska ha någon form av hållare som både ger matrisen stöd när

extrusion sker men den ska även förhindra att matrisen kan röra sig ur sitt läge

- matris, container och material som extruderas ska centreras mot varandra - det måste finnas utrymme under eller ovanför matrisen (beroende på hur

- någon form av presstämpel måste pressa materialet som ska extruderas mot matrisen eller pressa matrisen mot materialet (direkt eller indirekt

extrusion)

Utifrån behoven skapades en kravspecifikaiton. Kraven baserades på fysiska begränsingar för tillgänglig press, säkerhet vid användning och funktion.

- Få plats i tilltänkt hydraulisk press (höjd 430 mm, bottenplatta Ø320 mm, topplatta Ø300 mm)

- Mobil (är den totala massan under 15 kg)

Den totala maxvikten för riggen sattes till 15 kg och baserades på arbetsmiljöverkets rekommendationer [21].

- Riggen ska vara stabil under pressning, inte finnas risk för att den tippar. (Är kraften jämt föredelad över konstruktionen, finns det risk för att

tyngdpunkten kan hamna utanför stödpunkterna?)

- Matrisen ska inte kunna röra sig ur sitt läge under extrusion.

- Måste skruvförband eller sprintar avlägsnas för att ta bort riggen från pressen?

- Finns det komponenter eller delar vars funktion kan påverkas av värmen?

- Kan matrisen bytas ut till en annan matris?

- Möjlighet att ta bort matrisen inklusive materialet om materialet fastnar vid extrusion.

- Kan smörjning med glaspulver appliceras vid extrusion?

- Måste riggens delar efterjusteras efter montering?

- Krävs det vid montering att operatören måste placera händerna i trånga utrymmen med varma delar?

- Måste matrisen bearbetas för att passa i konstruktionen?

- Måste pressen torrköras mer än 10 mm efter montering av riggen i pressen?

(Är utrymmet mellan press och rigg mer än 10 mm efter montering?) 3.3 Konceptframtagning

Med brainstorming togs olika förslag fram till varje enskilt behov för att sedan generera alternativa produktkoncept [20]. Brainstormingen utfördes tillsammans med en expertgrupp som har erfarenhet inom bland annat konstruktion och tillverkningsmetoder. Varje förslag jämfördes sedan mot kravspecifikationen. De

förslag som inte uppfyllde något av kraven användes inte för fortsatt utveckling. De förslagen som uppfyllde behoven och kravspecifikationen kombinerades med varandra för att få fram olika koncept för riggen. Alla koncept skissades för att lättare visualisera hur konceptet är tänkta att fungera och för att skapa en preliminär konstruktion, steg 2 [20]. Se bilaga A för skisser. Grundkonstruktionen skapades i samband med brainstormingen och när skisserna gjordes. Delarna konstruerades i samband med att förslagen kombinerades. Där konstruktionen baserades på hur de var tänkta att se ut då idén till förslagen kom fram. Alla koncepten jämfördes mot kravspecifikationen igen för att se om kombinationen av alla lösningar resulterat i att kraven inte uppfylldes. Koncepten bedömdes med två olika betyg hur väl de

uppfyllde kraven. Om kravet uppfylldes gavs ett + och om kravet inte uppfylldes gavs ett -. Alla plus och minus summerades för alla koncepten. Plusen gav ett pluspoäng och ett minustecken gav ett minuspoäng. Varje betyg (+ och -) multiplicerades med respektive kravs viktfaktor.

Viktfaktorn togs fram genom parvis jämförelse, se kapitel 4.3. Totalpoängen för koncepten summerades och de två bästa koncepten, utifrån poäng, valdes ut för vidare utveckling. Utifrån de två bästa koncepten analyserades vad som gjorde koncepten bra och varför. Vilka krav koncepten uppfyllde och hur de uppfylldes.

Sedan genomfördes en ny brainstorming process där nya förslag togs fram. Med avseende att ta fram ett koncept för direkt och ett för indirekt extrusion som är bättre än de första koncepten. De nya koncepten jämfördes på samma vis mot kravspecifikationen.

3.4 Parvis jämförelse

Parvis jämförelse användes för att ta reda på vilka krav i kravspecifikationen som var viktigast. För att lättare kunna utvärdera koncepten, steg 1 [20]. Jämförelsen av kraven följde dessa prioriteringar:

- Säkerhet

o Mobiliteten av riggen. (maximal totalvikt 15 kg) o Värmen få inte påverka riggens funktion.

o Moment som förhindrar förflyttning av riggen. (skruvförband) o Stabilitet. (finns risk att tyngdpunkten hamnar utanför stödpunkten?) o Kan matrisen låsas fast under extrusion?

- Fysiska begränsningar

- Användarvänlighet

o Inte behöva placera händer i små utrymmen med varma delar.

o Möjlighet till att avlägsna matrisen och materialet om materialet fastnar under extrusion.

o Extrusion ska kunna genomföras med glas som smörjmedel.

o Minimal torrkörning (max 10 mm).

o Kan matrisen bytas till en annan matris?

o Finns det risk att efterjusteringar måste göras på delarna efter montering?

- praktiska egenskaper

o Inte bearbeta matrisen.

Varje enskilt krav i kravspecifikationen jämfördes mot de övriga kraven med ovanstående prioritering. När kraven jämfördes fick det viktigare kravet i varje jämförelse en poäng och det mindre viktiga noll poäng. När samtliga krav hade jämförts summerades den totala poängen för alla enskilda krav. Det krav som fick flest poäng är viktigast, det som fick näst flest är näst viktigast och så vidare.

Eftersom riggen framför allt ska uppfylla de viktigaste kraven gavs en viktfaktor till varje krav. Det kravet som var minst viktigast fick viktfaktorn 1, det näst minst viktigast fick viktfaktorn 2 och så vidare.

3.5 Konstruktion

I Konstruktion visas beräkningar där olika materialdata använts. Dessa materialdata kommer från de material som valts till de olika ingående delarna i konstruktionen, se avsnitt 4.3 Material för fullständig redovisning av materialen. Där materialvalet gjordes med hjälp av en litteraturstudie där målet var att hitta vilka material som används för delarna i extrusionsprocessen. Valet av material baserades på vad materialen rekommenderas att användas till och vilka egenskaper de har.

Konstruktionsavsnittet bygger vidare på koncept 5 och det preliminära konstruktionsförslag som skissats under Konceptframtagning. Där konceptet förfinas, steg 3 [20].

För fullständiga härledningar av ekvationerna som använts se bilaga B.

3.5.1 Diameter på matris

Från konceptsållningen hämtades koncept på riggen som i det stora hela har grunddesignen färdig.

I fasen konceptframtagning lades grunden för hur de olika koncepten ska se ut. Det som riggen anpassades efter var matrisens storlek och vilken diameter materialet som ska extruderas har. För att ta reda på hur stor diametern ska vara (D1) skapades en funktion av medelpresskraften, Fmedel, genom att använda ekvation 8 som

multiplicerades med cirkelns area (för att få MPa till N) där D1 gjordes till variabel, se figur 5. Där D1 går från 50- 150 mm. Där den övre gränsen (150 mm) är

matrisens diameter och den undre gränsen sattes till 50 mm för att bearbeta matrisen så lite som möjligt. Indata i ekvationen var: C=1,5, kf=120 MPa, D2=26,5. Från grafen, se figur 5, bestämdes diametern på materialet som ska extruderas till 70 mm. Då den nödvändiga kraften inte överskrider pressens maximala kraft och det finns marginal till maxkraften. Vid en diameter på 70 mm blir nödvändig presskraft 1 480 kN. Även riggen för direkt extrusion anpassades efter att materialet som extruderas har en diameter på 70 mm.

Figur 5: Graf över medelpresskraft vid indirekt extrusion, alltså när matris och material som ska extruderas har lika stor diameter. På den lodräta axeln är presskraften och på den vågräta axeln är diametern på matrisen. Den röda linjen är kraften med avseende på matrisens diameter och den blåa linjen är pressens maximala kraft.

3.5.2 Presskraften för direkt extrusion

Med bestämd diameter skapades en funktion av medelpresskraften för direkt

extrusion med ekvation 23 (som multiplicerades med cirkelns area för att omvandla MPa till N). Där friktionskoefficienten angavs som variabel för att se vilken

friktionskoefficient som måste råda så att inte pressens maxkraft uppnås. I figur 6 går friktionskoefficienten från 0-0,5 där den övre gränsen (0,5) överskrider maxkraften och visar hur stor den maximala friktionskoefficienten kan vara. Från figur 5 avläses att maxkraft uppnås då friktionskoefficienten är cirka 0,43- 0,45. Indata i ekvationen var: z=50 mm, l=22 mm, D1=70 mm, D2=26,5 mm, C=1,5, kf=120 MPa.

Figur 6: Medelpresskraft som funktion av friktionskoefficienten vid direkt extrusion. Den blåa linjen visar pressens maximala kraft.

Enligt [22] kan en friktionskoefficient på 0,297–0,344 uppnås vid deformering av upphettad metall med glaspulver som smörjmedel. För att beräkna

medelpresskraften för direkt extrusion användes det högsta av de uppmätta friktionskoefficienterna. Med friktionskoefficienten samt ekvation 23 beräknades presskraften för direkt extrusion.

𝑃_{𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙} = (𝑒4∙0,344(50−22)

70 ∙ 1,5 ∙ 120 ∙ 2 ∙ 𝑙𝑛 ( 70

26.5) ∙ 1,1) ∙ 𝜋 ∙70²

4 = 2 566, 8 kN.

a) b)

Vid dimensionering av riggen användes pressens maxkraft. Det är för att säkerställa att riggen inte deformeras vid eventuella problem som medför att extrusionen upphör och pressens maxkraft uppnås.

3.5.3 Rigg för direkt extrusion

Från konceptsållningsmatrisen anpassades koncept 5 efter diametern på materialet som extruderas som bestämdes till 70 mm.

Då ugnarna har en bredd inuti på 150 mm och tillgänglig matris också är 150 mm breda kommer matriserna bearbetas till 120 mm för direkt extrusion, i samråd med uppdragsgivare.

Därför anpassades riggen för direkt extrusion för en matris med en diameter på 120 mm. Containern utformades så att den sänks ned över matrisen med omslutande kanter runt matrisen för att centreras mot matrisen, se figur 7. Kanterna på

containern konstruerades så att de går ned till hälften av matrisens tjocklek. Riggen utformades så att matrisen hålls på plats med kanter som går upp runt om matrisen.

Kanternas höjd är lika med matrisens halva tjocklek. För enklare montering av matrisen i riggen anpassades den omslutande kanten så att den inte går runt hela matrisen och på så sätt inte kan hindra bärverktyget, se figur 7.

Figur 7: Container och riggens utformning. a) I genomskärning hur containerns, grå i bild, omslutande kanter går ned över matrisen, röd i bild. b) Hur matrisen hålls på plats i riggen med omslutande kanter och öppningen i den omslutande kanten, källa: eget material.

Riggens ytterdiameter (direkt extrusion) måttsattes till 130 mm, vilket även är ytterdiametern på containern, för att minska massan på riggen.

a) b)

a) b)

3.5.4 Rigg för indirekt extrusion

Koncept 5 indirekt extrusion anpassades efter en matris som är 70 mm i diameter.

Riggen konstruerades så att matrisen centreras genom en upphöjning på riggen och en motsvarande nedsänkning i matrisen, se figur 8.

Figur 8: Hur matrisen centreras mot riggen. a) Upphöjningen på riggen (grå i bild) och nedsänkningen i matrisen (röd i bild), b) hur matrisen centreras mot riggen med upphöjning och nedsänkning, källa: eget material.

Samma idé användes för att centrera materialet som ska extruderas mot matrisen.

Där matrisens befintliga nedsänkning användes och materialet anpassades efter nedsänkningen, se figur 9.

Figur 9: a) Upphöjningen på materialet som extruderas (gult i bild) och nedsänkningen i matrisen (röd i bild), b) hur materialet som extruderas centreras mot matrisen med upphöjning och nedsänkning, källa: eget material.

3.5.5 Tvådelade riggar

Riggen för både direkt och indirekt extrusion utformades så att den består av två delar för att göra den extruderade stången mer lättillgänglig efter extrusion. Där matrisen placeras på den ena halvan och den andra halvan skjuts in under

plattformen (där matrisen ligger) som stöd, se figur 10.

a) b)

c) d)

Figur 10: a) Riggens två delar separerade (direkt extrusion), b) riggens två delar sammansatta (direkt extrusion), c) Riggens två delar separerade (indirekt extrusion), d) Riggens två delar sammansatta (indirekt extrusion), källa: eget material

3.5.6 Bottenplattans fästelement

Bottenplattan utformades för att kunna skruvas fast i riggen underifrån. För att undvika att riggens två delar separeras under extrusion konstruerades fästelement som håller ihop bottenplattans delar, se figur 11. Fästelementen utformades för att kunna användas utan skruvar, andra separata delar och utan att behöva göra

efterjusteringar.

Figur 11: I bottenplattan för de tvådelade versionerna av riggarna finns fästelement som förhindrar att riggens två delar glider isär vid montering och under extrusionen, källa: eget material

3.5.7 Riggarnas höjd

Mållängden för den extruderade stången var från beställare cirka 150 mm. Höjden på riggen anpassades efter mållängden och 30 extra mm adderades för att undvika

3.5.8 Arbetsflöde och Funktionsbeskrivning

Arbetsflödet arbetades fram efter att riggarna tagits fram. Där alla de stora delmoment som måste genomföras användes för att upprätta arbetsflödet. Där delmomenten är:

- Värma delarna - Förflytta delarna - Montera delarna

För att delmomenten ska kunna genomföras måste visst förarbete genomföras först.

Förarbetet togs fram genom att delmomenten bröts ned och detaljerna kring delmomenten togs fram. Först klargjordes vilka ingående delar från riggen som berörs för respektive delmoment. Sedan fastställdes hur delarna kommer behandlas och vilken utrustning som krävs för att kunna utföra behandlingen.

Kravspecifikationen kontrollerades för varje delmoment för att se om något krav krävde speciella förutsättningar. Till exempel börjar arbetsflödet med att topplattan i pressen byts ut och en testmontering genomförs. Detta förarbete baserades på kravspecifikationen där det står att riggen ska få plats i pressen och torrkörning på max 10 mm får förekomma.

Efter att arbetsflödet tagits fram sammanfattades det i 4 steg: förarbete, värma delarna, förflytta delarna och montera delarna. Tiderna för att förflytta delarna från ugnarna och för att montera i riggen uppskattades. Detta sammanställdes och var grunden för funktionsbeskrivningen.

3.5.9 Tryck och töjning i containrarna

Med ekvation 24 och 25 beräknades den radiella och tangentiella spänningen (𝜎𝑟 och 𝜎_𝑡) som uppstår i containerns väggar. Containern för indirekt extrusion kommer ha en innerdiameter som är lika stor som matrisens diameter, 70 mm. Ytterdiametern på containern begränsas av ugnarnas dimensioner. För att få en stabilare container måttsattes ytterdiametern till 85 mm, för att få tjockare väggar men samtidigt inte för stor för ugnen. Ytterdiametern på containern för direkt extrusion måttsattes till 130 mm. Vid beräkning av spänningen i containern bestämdes radien, r, till 35 mm eftersom spänningen kommer vara störst där. Detta applicerades vid beräkning av spänningen i containern för både direkt och indirekt extrusion. För trycket inuti containern, 𝑝𝑖, användes medelvärdet för deformationsmotståndet för materialet som extruderas, 𝑘𝑓𝑚. Deformationsmotståndet har beräknats till 120 MPa [14].

Container för direkt extrusion:

a) b) 𝜎_{𝑟 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = −120 ∙(65

35)

2

− 1 (65

35)

2

− 1

= −120 𝑀𝑃𝑎

𝜎_{𝑡 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = 120 ∙(65 35)

2

+ 1 (65

35)

2

− 1

= 218 𝑁/𝑚𝑚²

Container för indirekt extrusion:

𝜎_{𝑟 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = −120 ∙ (42.5

35 )

2

− 1 (42.5

35 )

2

− 1

= −120 𝑀𝑃𝑎

𝜎_{𝑡 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = 120 ∙ (42.5

35 )

2

+ 1 (42.5

35 )

2

− 1

= 626 𝑁/𝑚𝑚²

Då sträckgränsen för det tilltänkta materialet i containern är 1000 MPa (vid 400 °C) kommer de spänningar som uppstår inuti containern inte deformera containern permanent.

Då töjningen i containern beräknades lades containern in i ett kartesiskt koordinatsystem där längdriktningen är i x-led, se figur 12. På grund av

rotationssymmetrin kring x-axeln kommer spänningen som påverkar containern i y- och z-led bli lika stor, 𝜎_𝑦 = 𝜎_𝑧.

Figur 12: Container inlagt i kartesiskt koordinatsystem a) Container för direkt extrusion, b) container för indirekt extrusion, källa: eget material.

På grund av att spänningen är lika stor i y-och z-led kommer även töjningen i y-och z-led bli lika stor, det vill säga ekvation 27 och ekvation 28 kan sättas lika med

Den tidigare beräknade radiella spänningen i containern (𝜎𝑟) sattes in som 𝜎𝑦 samt 𝜎_𝑧 och med följande värden beräknades töjningen i y-och z-led med ekvation 27.

E=180 000 MPa vid 400 °C 𝛼= 12,6∙10^-6 vid 400 °C 𝜐=0,3

∆𝑇=400-20=380 °C 𝜀_{𝑦 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = 1

180 000∙ (120 − 0,3 ∙ 120) + (12,6 ∙ 10⁻⁶∙ 380) = 0,0053 Förändringen på innerdiametrarna i containrarna blir därför:

∆𝐷_{𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡=}∆𝐷_{𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡=}𝜀_{𝑦 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡}∙ 𝐷_{𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡=}0,0053 ∙ 70 = 0,37 𝑚𝑚 Töjning kommer ske i längdriktning på containrarna på grund av värmen men utan påverkan av krafter. Den töjningen beräknades med ekvation 33.

𝜀_{𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟} = ∆𝑇𝛼 = 380 ∙ 12,6 ∙ 10⁻⁶ = 0,0048 Där längdändringen i x-led beräknades enligt följande:

Container för direkt extrusion:

𝑙𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑖𝑛𝑒𝑟 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡 ∙ 𝜀_{𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟} = 75 ∙ 0,0048 = 0,36 𝑚𝑚 Container för indirekt extrusion:

𝑙𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑖𝑛𝑒𝑟 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡∙ 𝜀_{𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟} = 130 ∙ 0,0048 = 0,62 𝑚𝑚 3.5.10 Toleranser

Med beräkningarna av töjningen beräknades förlängningen av varje del genom att multiplicera töjningen med ursprungsmåttet av varje detalj. Det största måttet på de delar som ska värmas upp är längden av containern för indirekt extrusion och ytterdiametern på containern för direkt extrusion (130 mm). Töjningen som uppstår på grund av att detaljen värms upp var 0,0048. Förlängningen beräknades därför till

∆𝑙 = 130 ∙ 0,0048 = 0,62 𝑚𝑚.

Den största förlängningen blir cirka 0,62 mm. För att undvika att delarnas storlek förändras mer än 1 millimeter sattes toleranser på de delar som ska monteras inuti andra delar till ± 0,4 mm. Det innefattar bland annat presstämpel, container (direkt och indirekt) och mellanliggande skiva. Där de delar som kan ses som nav

(innerdiameter på container bland annat) endast tillgavs ett övre gränsavmått, alltså

Medan de delar som kan ses som axlar (presstämpel, ytterdiametern på riggen för indirekt extrusion bland annat) endast tillgavs ett undre gränsavmått, alltså – 0,4.

Toleransen på höjden av de tvådelade riggarna baserades på ISO 2768 f, men tillgavs endast ett övre eller undre gränsavmått.

Där höjden på den större delen (den del av riggen som matrisen ligger på) tillgavs ett övre gränsavmått och höjden på den mindre delen (den del som skjuts in under den större delen för att ge stöd) tillgavs ett undre gränsavmått. På delar som inte monteras inuti andra delar sattes toleransen ISO 2768 m.

3.5.11 Innerradie på riggarna

Riggen måste kunna ta upp all presskraft utan att deformeras permanent. Ekvation 29 och 30 användes för att beräkna vilken innerradie som ska användas på riggarna.

P= sträckgränsen för materialet i riggen (vid 400 °C), F=presskraft. Se figur 13 för förklaring av ytter- och innerradie på riggen.

Figur 13: Förtydning av benämningar vid beräkning av godstjockleken för riggen. Källa: eget material

Rigg för direkt ^extrusion:

𝜋 ∙ (65²− 𝑟_𝑖²) =3000000

1000 → 𝑟_{𝑖 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = 57,2 𝑚𝑚

Vid en innerradie på 57,2 mm kommer sträckgränsen tangeras. Därför bestämdes innerradien till 40 mm, vilket gav en säkerhetsfaktor till sträckgränsen på cirka 2,7.

Rigg för indirekt extrusion:

𝜋 ∙ (35²− 𝑟_𝑖²) =3000000

1000 → 𝑟_{𝑖 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡} = 16,4 𝑚𝑚

Vid en innerradie på 16,4 mm kommer sträckgränsen tangeras. Därför bestämdes innerradien till 15 mm, vilket gav en säkerhetsfaktor på 1,05. Begränsande faktorer vid beräkningarna var dimensionerna på matrisen.

3.5.12 Diameter på bottenplattan

Diametern på bottenplattan beräknades med ekvation 30. Där F= pressens

maximala presskraft, P= isoleringsmaterialets maximala arbetstryck, A= 𝜋 ∙ 𝑟²= arean av basplattan.

𝐴 =𝐹

𝑃 =3000000

50 = 𝜋 ∙ 𝑟² → 𝑟 = 138,2 𝑚𝑚

För att få en säkerhetsfaktor måttsattes radien till 160 mm, vilket är diametern på pressplattan i den tillgängliga pressen. Vilket gav ett tryck på isoleringsmaterialet på 37,3 MPa och en säkerhetsfaktor på cirka 1,34.

3.5.13 Beräkning av knäcklasten

Efter att diametern på riggen bestämdes användes ekvation 31 och 32 för att beräkna knäcklasten för riggen.

Rigg för direkt extrusion:

Knäcklast vid 400 °C, E-modulen är 180 000 MPa (riggen ska inte värmas upp men den kommer komma i kontakt med delar som är uppvärmda till 400 °C).

𝑃_𝑘 =𝜋²𝐸𝐼

4𝐿² =𝜋²∙ 180 000 ∙(𝜋

64∙ (130⁴− 80⁴))

4 ∙ 180² = 164 619 912 𝑁

Rigg för indirekt extrusion:

Knäcklast vid 400 °C, E-modulen är 180 000 MPa (riggen ska inte värmas upp men den kommer komma i kontakt med delar som är uppvärmda till 400 °C).

𝑃_𝑘 =𝜋²𝐸𝐼

4𝐿^{2 =}𝑃_𝑘=𝜋²∙ 180 000 ∙(𝜋

64∙ (70⁴− 30⁴))

4 ∙ 180² = 15 610 799 𝑁

Då knäcklasterna för både direkt och indirekt beräknades till långt över pressens maxkraft är inte knäckning en riskfaktor.

3.6 Förpressning av spån

Spånen kommer förpressas i en cylindrisk behållare innan extrusion för att minimera hålrummen som finns mellan spånorna. Ett test att pressa spån genomfördes för att beräkna densiteten på de pressade spånen i förhållande till materialets solida densitet, för att reda på hur mycket luft det finns mellan spånen. Spånen som användes vid testet togs fram genom längdsvarvning av en rundstång av S355J2 i en CNC-svarv med följande skärdata: vc=275 m/min, ap= 2,5 mm, fn=0,2 mm/varv, använt skär är av typen Sandvik CNMG 12 04 12-PM 4325. Medeltjockleken på

a) b) c)

Figur 14: formen på spånorna som används i testet att förpressa spån, källa: eget material.

Behållaren som spånen pressades i, se figur 15, har dimensionerna:

Ytterdiameter=69,5 mm, innerdiameter=67,7 mm, höjden=52,2 mm, bottens tjocklek= 2,9 mm. Presstämpelns dimensioner: diameter=67,1 mm, höjd=69,15 mm. När spånen pressades placerades behållaren i en omslutande container, se figur 15. Containerns dimensioner: Ytterdiameter=100,35 mm, innerdiameter= 70 mm, höjd= 51 mm. Alla delarna togs fram med hjälp av svarvning vid högskolan i Gävle.

Figur 15: a) behållaren spånen pressas i, b) presstämpeln, c) containern som behållaren placeras i vid pressning, källa: eget material

Behållare, spån och container är av samma material, S355J2. Materialets densitet är 7800 kg/m³. Behållarens massa vägdes innan spånen fylls på. Efter vägningen fylldes behållaren med spån, där massan för spånen som fylldes på varierade mellan 46,1- 46,8 g. En plåtskiva lades på lagret av spånorna och en passbit placerades i mitten över behållarens kanter. Med ett skjutmått mättes djupet mellan passbitens överkant och mitten på plåtskivan som låg på lagret av spånor. Där tjockleken på det lager av spån som fylldes på varierade mellan 12,5-19 mm. Spånorna pressades i en

hydraulisk press av typen Form+ Test Seidner, modell D-7940. För att minimera avståndet mellan botten- och topplattan staplades stålplattor på varandra, på stålplattorna placerades behållaren. Stålplattorna och behållaren centrerades för att undvika snedbelastning vid pressning. Kraftökningen på pressen var 2kN/s.

Spånorna pressades ned i behållaren med en presstämpel, se figur 16. När

Plåtskivan lades på spånorna och passbiten placerades på behållarens kanter, djupet mättes som tidigare nämnts. Placering i pressen och pressning utfördes som tidigare nämnt. Pressning av spån upprepades tills en tjocklek på de pressade spånen

uppnådde cirka 40 mm.

Figur 16: Pressade spån i behållaren, källa: eget material.

Efter pressning vägdes behållaren tillsammans med spånen för att få en total massa, mtot.Behållarens massa, mbehållare, subtraherades från mtot för att få fram massan för spånen, mspån. Volymen beräknades för spånen, Vspån, och tillsammans med mspån

beräknades densiteten på de pressade spånen, 𝜌𝑣𝑒𝑟𝑘𝑙𝑖𝑔.

Den procentuella skillnaden mellan de pressade spånens densitet och materialets densitet beräknades med följande formel

1 − 𝜌_{𝑣𝑒𝑟𝑘𝑙𝑖𝑔} 𝜌_{𝑡𝑒𝑜𝑟𝑒𝑡𝑖𝑠𝑘}

Densiteten på de pressade spånen var 42 % lägre än materialets densitet.

Tillsammans med ekvation 2 och resultatet av hur mycket luft det finns mellan spånen beräknades hur lång behållaren måste vara vid extrusion. Där 𝑙₂=150 mm, 𝐷₁=70 mm, 𝐷2=26,5 och 0.42 är procentandelen solitt material i de pressade spånen

𝑙₁ = 150 ∙ 26,5²

70²∙ 0.42= 51,18 𝑚𝑚

4 Resultat

4.1 Konceptsållningsmatris

I konceptsållningsmatrisen visas kraven, viktfaktorn, vilka krav koncepten uppfyller, beslut om vidare utveckling, summering av poäng och total poäng. För fullständig konceptsållningsmatris se bilaga C. För ritningar på ingående delar och riggarna se bilaga D.

4.2 Riggen Direkt extrusion

För direkt extrusion finns två olika varianter, en tvådelad rigg och en rigg som är solid (inte tvådelad). Ingående delar i riggen, se figur 17. 1: Presstämpel, 2:

behållare med spån, 3: container, 4: matris, 5: rigg. När alla delarna är monterade är den totala höjden av riggen 342 mm.

Figur 17: Bilden visar riggen i genomskärning med alla ingående delar monterade, källa: eget material.

Bärverktyget används för att förflytta matrisen från ugnen och för att placera

Bärverktyget kan även användas för att lyfta bort matrisen från riggen efter att extrusionen genomförts och har därför utformats för att inte påverkas av den extruderade stången. Öppningen i kanten som omsluter matrisen möjliggör att matrisen kan placeras på riggen direkt med bärverktyget.

Figur 18: Hur bärverktyget är tänkt att användas. a) Hur matrisen ligger på bärverktyget sett ovanifrån, b) matris och bärverktyg sett underifrån, c) öppningen i kanten, d) montering av matris i rigg med bärverktyg, källa: eget material.

a) b)

c) d)

Indirekt extrusion

Ingående delar i riggen, se figur 19. 1: Container, 2: mellanliggande skiva, 3:

behållare med spån, 4: matris, 5: rigg. När alla delarna är monterade är den totala höjden av riggen 342 mm. När alla delarna är monterade är den totala höjden 249 mm.

Figur 19: Bilden visar riggen i genomskärning med alla ingående delar monterade, källa: eget material.

För att lättare se hur mycket containern pressats ned har markeringar på riggens stora del gjorts, se figur 20.

Figur 20: Markeringar för att lättare se hur långt ned containerns pressat, källa: eget material

Vid montering kommer den högsta höjden på riggen för direkt och indirekt extrusion vara olika på grund av de olika delarnas dimensioner, se fur 21.

a) b)

Figur 21: a) Hur hög riggen för direkt extrusion är som mest vid montering, b) hur hög riggen för indirekt extrusion är som högst vid montering, källa:eget material

Massan på alla ingående delar till riggen för direkt och indirekt extrusion visas i tabell 2.

Tabell 1: Massa för de ingående delarna till riggarna för direkt och indirekt extrusion samt totalmassan för riggarna och delarna.

Liten del

Stor del

Con- tainer

Press- stämpel

Botten Platta (hon)

Botten Platta (han)

Mellan liggande skiva

Totalt

Direkt extrusion

5,5 kg

6,6 kg

4,3 kg

1,7 kg 3 kg 3,1 kg 24,2 kg

Indirekt extrusion

2,1 kg

2,2 kg

2,1 kg

3 kg 3,1 kg 0,2 kg 12,7 kg

4.3 Material

Material i rigg, container, bottenplatta och presstämpel: Uddeholm Orvar Supreme.

Det är ett krom-molybden-vanadinlegerat stål som kan användas för bland annat stöd och matrishållare vid strängpressning av bland annat rostfritt stål [23]. För materialdata, se tabell 3.

Tabell 2: Materialdata vid olika hårdhet och temperatur för Uddeholm Orvar Supreme. Materialdata är uppmätt på stänger som är 407 x 127 mm. Där inget annat anges har stängerna härdats i 30 minuter vid 1025 °C och sedan luftkylts samt anlöpts 2+2 timmar vid 610 °C och uppnått en hårdhet på 45 ± 1 HRC [23].

Isolering

För att isolera botten- och topplatta i pressen mot värmen från de uppvärmda delarna används ett isoleringsmaterial som heter Micapac 1000. Det är ett isoleringsmaterial som tål temperaturer upp emot 1000° C och lämpar sig för användning vid ett tryck på 20-50 MPa. Tjockleken är 1,5 mm.

Förutsättningar → Materialdata

↓

Rums- temperatur HRC=45

Rums temperatur HRC=52

400 °C

Sträckgräns 1280 N/mm² 1520 N/mm² 1000 N/mm² Brottgräns 1420 N/mm² 1820 N/mm² 1200 N/mm²

4.4 Funktionsbeskrivning Direkt extrusion

Uppskattade tider och vilka steg som ingår för att förbereda extrusionsprocessen, för mer ingeånde information om stegen se kapitel 4.5 Arbetsflöde.

Byta topplatta, lägga på isolering på i pressen, ställa fram ugnar, glaspulver samt tänger och bärverktyg

↓

Testmontering i press

↓

Inställning av höjd i press

↓

Värma upp delar

↓

Ta ut matris från ugn och montera. Tid (25 sek)

↓

Ta ut container från ugn och montera. Tid (30)

↓

Ta ut behållare från ugn. Rulla i glaspulver. Montera i container. Tid (30 sek)

↓

Ta ut presstämpel från ugn och montera i container. Tid (10 sek)

↓ Extrudera

Total uppskattadd tid för montering av varma delar: 95 sek=1,58 min

Indirekt extrusion

Uppskattade tider och vilka steg som ingår för att förbereda extrusionsprocessen, för mer ingeånde information om stegen se kapitel 5.5 Arbetsflöde.

Byta topplatta, lägga på isolering på i pressen, ställa fram ugnar, glaspulver och tänger

↓

Testmontering i press

↓

Inställning av höjd i press

↓

Värma upp delar

↓

Ta ut matris från ugn och montera. Tid (20 sek)

↓

Ta ut behållare från ugn. Rulla i glaspulver. Montera på matris.

Tid (30 sek)

↓

Ta ut mellanliggande skiva från ugn och montera. Tid (10 sek)

↓

Ta ut container från ugn och montera. Tid (30 sek)

↓ Extrudera

Total uppskattadd tid för montering av alla varma delar: 90 sek=1,5 min

4.5 Arbetsflöde Förarbete innan extrusion:

Topplattan med fästelement skruvas loss, se figur 3, och en skyddsplåt av metall, ca 20 mm tjock monteras. Mellan pressens överdel och skyddsplåten placeras

isoleringsmaterialet. För att isolera pressens överdel från värmen och för att

skyddsplåten fördelar presskraften över isoleringen. På pressplattan, se figur 3, läggs samma typ av isolering som finns vid pressens överdel. Ugnarna flyttas till pressen så att ugnarna står så nära pressen som möjligt utan att hindra åtkomligheten runt pressen. Glaspulver förbereds vid pressen så att det är möjligt att rulla behållaren i glaspulver innan behållaren placeras i riggen. Behållaren ska kunna rullas i glaspulver och sedan direkt placeras i riggen.

Glaspulvret ska vara tillgängligt vid pressen för slippa förflytta behållaren onödiga sträckor efter att glaspulver har applicerats. De verktyg som ska användas för att hantera de varma delarna placeras vid ugnarna. Se

figur 22 för förslag på placering av all utrustning.

Figur 22: Förenklad tilltänkt layout vid extrusion. Utgångspunkten är den lokal där pressen står i vid Högskolan i Gävle, källa: eget material

För både direkt och indirekt extrusion genomförs en testmontering.

Testmonteringen genomförs med de verktyg som kommer användas när delarna är värmda. Monteringen sker i den ordning som är tänkt att ske när delarna är varma för att utefter operatörens förmåga att montera, ställa in hur stort avståndet ska vara mellan pressen och riggens högsta höjd vid montering. Under testmonteringen kommer ingen av delarna att värmas upp.

De delar som ska värmas upp både för direkt och indirekt extrusion är matris, container och behållare. Vid indirekt extrusion kommer även mellanliggande skiva värmas upp och vid direkt extrusion kommer även presstämpeln värmas upp.

Behållaren kommer värmas upp till cirka 1100 ºC. Den höga temperaturen är tänkt att underlätta för spånorna att sammansvetsas och bilda ett solitt ämne vid extrusion.

Matris, container, presstämpel och mellanliggande skiva kommer värmas upp till

a) b) c)

Eftersom matris, container, presstämpel och mellanliggande skiva kommer i kontakt med behållaren önskas en så liten temperaturskillnad som möjligt mellan delarna.

Detta för att minimera värmeförluster och minska termisk chock. Anledningen till att delarna inte värms upp mer än 400 ºC är för att påverka hållfastheten så lite som möjligt i de delarna.

Direkt extrusion:

Matris, container, behållare och presstämpel stoppas in i ugnarna för att värmas upp.

Matrisen placeras på en metallbit i ugnen för att lättare kunna ta ut matrisen från ugnen med bärverktyget, se figur 23. Där tiderna anpassas så att alla delarna uppnår måltemperatur (för matris, container och presstämpel= 300-400°C,

behållare= cirka 1100 °C) samtidigt. De två delarna som utgör riggen skruvas ihop med bottenplattan och monteras till varandra med fästelementen på bottenplattan, om solid rigg används skruvas riggen ihop med bottenplattan. På pressplattan i pressen läggs isoleringen, och på isoleringen ställs riggen. När matrisen uppnått måltemperatur tas den ut ur ugnen med bärverktyget genom att föra in bärverktyget under matrisen och lyfter ut.

Figur 23: a) Idé för lyftverktyg till matris i direkt extrusion, b) metallbiten som matrisen placeras på i ugnen, c) hur bärvärktyget används för att ta ut matrisen från ugnen då matrisen ligger på metallbiten, källa: eget material

När matrisen tagits ut ur ugnen förflyttas den direkt till pressen. Vid pressen sänks matrisen ned i riggen tills bärverktygets undersida ligger mot ytan som matrisen ska ligga på. Med riggens kanter som går upp runt om matrisen som mothåll dras bärverktyget under matrisen ut från riggen så att matrisen hamnar på riggen.

Containern tas ut ur ugnen med en tång vars käftar har lika stor radie som containerns ytterradie. Med tången flyttas containern från ugnen till pressen där containern placeras ovanpå matrisen. Sedan tas behållaren ut med en tång som har runda käftar med lika stor radie som behållaren.

Från ugnen förflyttas behållaren till glaspulvret vid pressen. Med tången rullas

När presstämpeln förflyttas från ugnen till pressen läggs undersidan av

presstämpelns utstickande huvud an mot tången för att få mer stöd och stabilitet vid förflyttning. Presstämpeln ställs på behållaren i containern och extrusionsprocessen kan starta.

Indirekt extrusion

Matris, container, behållare och mellanliggande skiva stoppas in i ugnarna för att värmas upp. Där tiderna anpassas så att alla delarna uppnår måltemperatur (för matris, container och mellanliggande skiva= 300-400°C, behållare= cirka 1100 °C) samtidigt. De två delarna som utgör riggen skruvas ihop med bottenplattans delar och monteras till varandra med fästelementen på bottenplattan, om solid rigg används skruvas riggen ihop med bottenplattan. På pressplattan i pressen läggs isoleringen, och på isoleringen ställs riggen. När matrisen uppnått måltemperatur tas den ut ur ugnen med en tång som har runda käftar med lika stor radie som matrisens radie. Matrisen förflyttas från ugnen med tången och placeras på riggen.

Processen att förflytta och rulla behållaren i glas är lika som för direkt extrusion.

Efter att behållaren rullats i glas placeras den på matrisen i riggen. Mellanliggande skivan tas ut ur ugnen med samma tång som används till matrisen eftersom skivan har lika stor diameter som matrisen. Mellanliggande skivan tas från ugnen med tången och placeras på behållaren i riggen. Containern tas ut ur ugnen med en tång vars käftar har lika stor radie som containerns ytterradie. Med tången förflyttas containern från ugnen till riggen där containern sänks ned över mellanliggande skiva, behållare och matris och extrusionsprocessen kan starta.

Om behållaren skulle fastna i containern avlägsnas container, presstämpel och behållare från pressen. Där containern avlägsnas med samma tång som används för att placera containern i riggen. För att få ur behållaren ur containern tillåts container och behållare att svalna, det medför att det både blir säkrare och lättare att hantera de båda delarna. Om materialet svalnar kommer det även att krympa vilket kan underlätta för att separera delarna. Detta gäller för både direkt och indirekt extrusion.

Efter extrusion måste den extruderade stången tas bort från discarden. Om stången skulle klippas av då den fortande är i kontakt med matrisen finns risk att klippgrader uppstår som förhindrar att det discarden avlägsnas från matrisen.

Därför avlägsnas stången tillsammans med discarden från matrisen innan stången kapas. Detta genomförs då delarna har svalnat vilket gör hanteringen säkrare.

5 Diskussion

Koncept 2 och 3 valdes ut för vidare utveckling i samråd med beställare. Efter att koncept 1-4 presenterats tillkom kravet att matrisen inte ska bearbetas. Då koncept 1,2 och 4 togs fram fanns alltså inte kravet att matrisen inte ska bearbetas, vilket är anledningen till att låspinnar används i matrisen.

För att avgöra om massan för koncept 1-4 överstiger gränsen på 15 kg har den totala massan för riggen och dess ingående delar uppskattats. Där skisserna, se bilaga B, på koncept 1-4 och de beräknade massorna för koncept 5 har använts som

utgångspunkt. Där skisserna på konstruktionerna har jämförts mot koncept 5 där massorna har beräknats och därifrån uppskattat massan. För att få en mer noggrann bedömning bör koncept 1-4 konstrueras och dimensioneras.

Eftersom alla ingående delar i riggarna är runda är tänger ett användbart verktyg att använda vid förflyttning. Detta eftersom tängers käftar kan anpassas efter objektet som ska greppas. Samma tänger som används vid förlfyttning av delarna kan även användas vid montering av delarna. Ett alternativ skulle vara att de delar som är större och tyngre tillges ögglor eller spår där till exempel stänger kan stoppas in för att lyfta delarna. Fördelen är att delarna i så fall endast behövs lyftas, och inte kläms åt och lyftas som de behöver göras med tänger. Nackdelen är att det skulle kunna påverka delarnas storlek där ugnarnas dimensioner blir begränsande. Beroende på hur ögglorna eller spåren utformas kan det påverka delarnas fållfasthet eller funktion.

För att undvika förflyttning av varma delar från ugarna kan mobila värmelement användas för att värma upp delarna då de är monterade vid pressen, förutom matris och behållare. Fördelen är att delarna blir mer jämnvarma, mängden varma delar som förflyttas minskas, delarna behöver inte vänta lika länge och på så sätt inte svalnar lika mycket. Nackdelen är att containern (både för indirekt och direkt rigg) måste avlägsnas från riggen för att kunna montera matrisen. Det som begränsar användandet av doppvärmare är höjden i pressen. Om den tvådelade riggen används kan kan droppvärmaren användas från sidan. Till skillnad från den solida riggen då droppvärmarne måste sänkas ned uppifrån.

För att ta loss den extruderade stången måste den antingen avlägsnas från discarden, alternativt att discarden tillsammans med den extruderade stången tas bort från matrisen. Om hela den extruderade stången tillsammans med discarden skulle avlägnsas i ett stycke från riggen skulle det vara möjligt att kapa av och utnyttja så mycket som möjligt av den extruderade stången. Om den extruderade stången skulle klippas av då discarden forfarande ligger på matrisen kommer den del av

efter extrusion då det är varmt. Fördelen med att göra det då det har svalnat är att det är lättare och säkrare att hantera, dessutom kan materialet krympa något då det svalnat vilket kan underlätta då det extruderade materialet ska avlägsnas från matris och container.

Innerradien för riggen för indirekt extrusion (15 mm) medför en säkerhet mot sträckgränsen på cirka 1,05. Då risken är stor att materialet deformeras plastiskt bör det vara en faktor i valet av vilken rigg som används. Det som begränsar

godstjockleken är diametern på matrisen och diametern på hålen i matrisen. Det som skulle kunna ändras är att en större matris används. Då blir ytterdiametern på riggen större och på så vis även godstjockleken men den nödvändiga presskraften ökar. De faktorer som bör poängteras är att sträckgränsen som använts i

beräkningarna, både för riggen för direkt och indirekt, är då materialet är 400 °C varmt. Anledningen till att den sträckgränsen användes var för att riggen kommer komma i kontakt med delar som är 400 °C varma. Riggen kanske inte värms upp till 400 °C, men som en säkerhetsfaktor används den sträckgränsen.

Innerradien på riggen för direkt extrusion bestäms till 40 mm. Det ger en

säkerhetsfaktor till sträckgränsen på cirka 2,7, samtidigt som platån som matrisen ligger på får mer stöd underifrån ju mindre innerradien är. Nackdelen är att massan blir högre. I det här fallet prioriteras att riggen inte deformeras än att få ned massan så mycket som möjligt.

I beräkningarna som gjorts har antaganden och förenklingar gjorts. Detta gör att det finns felmarginaler i de värden som beräknats. Eftersom det här arbetet behandlar en metod som handlar om att extrudera spån som endast är i idéstadiet ger

beräkningarna en fingervisning om vilka värden som förekommer. För att kunna beräkna noggrannare bör experiment göras där till exempel 𝑘𝑓-kurva för materialet som extruderas tas fram och friktionskoefficienten när glas används som smörjmedel mäts. Det 𝑘𝑓-värde som används i arbetet har beräknats av uppdragsgivare.

Vid beräkning av presskraften för direkt extrusion har en friktionskoefficient från en artikel [22] använts. Friktionskoefficienten har tagits fram med hjälp av ett

kompressionstest där friktionskraften mellan kontaktytorna har mätts. Materialet som använts är en nickelbaserad superlegering (Nimonic 115), och temperaturerna vid testerna var 1100 °C och 1175 °C. Dessutom hade materialet i experimenten värmebehandlats. Dessa faktorer och att det inte var extrusion som utfördes är faktorer som gör att friktionskoefficienten som använts kan ifrågasättas om den är lämplig att användas i det här arbetet. Anledningen till att friktionskoefficienten användes var för att få en uppfattning om i vilken storleksordning

friktionskoefficienten kan vara i liknande situationer och således ett utgångsvärde för hur stor presskraften kan vara för direkt extrusion.

Valet av material baseras på vad materialens egenskaper är och vad de lämpar sig till.

Hänsyn har inte tagits till kostnad eller materialets tillgänglighet. Eftersom arbetet inte innefattar tillverkning, förberedelser eller liknande.

Den materialdata som har använts i arbetet och materialens användningsområden ska ej anses som garantier enligt tillverkaren. Därför kan inte beräkningarna användas som absoluta värden utan mer som riktvärden.

Tanken med den tvådelade riggen var från början att det skulle underlätta att klippa av den extruderade stången direkt efter att den extruderats. Vid noggrannare eftertanke finns risken att klippgrader uppstår vilket skulle kunna medföra att discarden helt eller delvis förhindras att avlägsnas från matrisen. En tvådelad rigg underlättar även då den exruderade delen är mer åtkommlig än med en solid rigg.

Om det till exempel skulle uppstå problem under extrusionsprocessen. Nackdelen är att riggen kan få ojämn belastning om inte höjden på delarna är rätt.

Toleranserna på riggens ingående delar baseras på beräkningarna av töjningen och ISO 2768. ISO-toleransen tillämpas eftersom det är en generell standard för metallprodukter som tillverkas genom skärande och avskiljande bearbetning.

Toleranserna på höjden av den tvådelade riggen baseras på ISO 2768 f eftersom de två delarna ska dela på presskraften under extrusionsprocessen. Där skillnaden i höjd ska vara så liten som möjligt för att fördela kraften jämt och undvika ojämn

fördelning. Anledningen till att riggens delar har ett övre eller undre gränsavmått är för att se till att den del som ska skjutas in under den högre delen inte blir för hög.

Med ISO 2768 f som utgångspunkt kan spelet som mest bli 0,4 mm (basmått= 120- 400 mm medför tolerans på ± 0,2 mm). Om höjdskillnaden skulle vara för stor och presskraften endast tas upp av en del är säkerheten till sträckgränsen för riggen till direkt extrusion cirka 1,4. Det som är kritiskt är att den del av platån, som matrisen ligger på, som sticker ut kommer utsättas för ett stort moment. Vilket kommer medföra att materialet längst in mot platåns infästning kommer utsättas för

utmattning varje gång riggen används som kommer förkorta riggens livslängd. För riggen till indirekt extrusion kommer sträckgränsen överskridas om presskraften endast tas upp av en del.

För att undvika att riggen välter eller blir ocentrerad mot bottenplattan vid

montering av de ingående delarna (matris, container, presstämpel och behållare med spån) monteras riggen på bottenplattan med hjälp av skruvar. Där storleken på skruvarna bestäms utifrån vilka krafter som riggen uppskattas utsättas för. Det skruvarna ska förhindra är att riggen flyttar på sig när de ingående delarna monteras där krafterna som kan påverka riggen uppskattas vara relativt små. Storleken som