Utredning och utveckling av rullsax

Rullsax

Utredning och utveckling av rullsax

Admir Dervišić & Mikael Jansz VT 2010

Examensarbete 15hp, C-nivå Maskinteknik

AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ

Maskiningenjörsprogrammet

Examinator: Matz Lenner

Förord

Detta examensarbete utgör den avslutande delen i vår utbildning till maskiningenjörer på Högskolan i Gävle. Arbetet har utförts på Sandvik AB i Sandviken våren 2010 och har gått ut på att analysera och förbättra en rullsax i produktion.

Det har varit en enormt rolig och lärorik tid.

Vi vill passa på att tacka alla som hjälpt oss på ett eller annat sätt i arbetet. Operatörerna på Sandvik Process Systems som gett oss möjlighet att testa rullsaxen samt gett oss värdefull information. Ett stort tack till Hidajet Dervišić som kommit med råd och vägledning i allt vad gäller konstruktion, maskinelement och konstruktionsritningar.

Ett speciellt tack till vår handledare på Högskolan i Gävle, Matz Lenner samt vår handledare på Sandvik AB, Börje Knief som alltid haft tid för råd och vägledning i arbetet.

Kontakt

Admir Dervišić Mikael Jansz

Tel: +46 (0)73 756 05 23 +46 (0)76 308 16 28

Mail: admir.dervisic@gmail.com mikaeljansz@hotmail.com

Admir Dervišić Mikael Jansz

Gävle den 15 juni 2010

Sammanfattning

Sandvik Process Systems är en del av Sandvik AB och tillverkar plåtband med varierande egenskaper för en mängd olika användningsområden. Under bearbetning är plåtbandet sammansvetsat, när önskade egenskaper erhållits klipps bandet av och rullas ihop för vidare transport till kund. Klippningen utförs med en rullsax som i dagsläget har svårigheter med tjockare och hållfastare plåtband. Syftet med detta examensarbete är att utreda dessa svårigheter och utveckla ett koncept som eliminerar dem.

En mängd olika metoder har använts vid analyseringen av rullsaxen. Ramen har analyserats både i Pro/Mechanica och i dess arbetsmiljö. Växellådan har demonterats och analyserats, lager och låsbrickor har utretts. Rullsaxens motorbegränsning har undersökts både belastad och obelastad.

De genomgående analyserna visade att ramen nöts ut av de hårda plåtbanden, nötningen innebär att ramen blir känsligare för påfrestningarna som uppkommer under klippning.

Vid de tjockare och hållfastare plåtbanden töjs ramen ut och detta försvårar och i värsta

fall förhindrar klippningen av plåtbanden. Examensarbetet resulterade i en färdig

konstruktion som eliminerar alla kända svaga punkter.

Abstract

This thesis constitutes the final part of our education as mechanical engineers at the University of Gävle. The work has been done within Sandvik AB in Sandviken, Sweden, spring 2010. The aim of this thesis is to investigate and develop a metal shear used in the final phase of steel belt manufacturing. The currently used shear has problems with the thicker and stronger belts.

A variety of methods has been used to analyze the metal shear. The frame has been analyzed both in Pro/Mechanicha and its working environment. The gearbox, bearings and lock washers have all been disassembled and analyzed. The metal shears engine has been analyzed both loaded and unloaded.

The result of the analyses shows that the frame will wear out due to the hard steel belts.

This combined with the high force needed in the shearing process causes the frame to

stretch. This will in the best case complicate and in the worst case prevent the shearing

process. The thesis resulted in a construction that eliminates all the know weaknesses.

Innehållsföreteckning

1 Introduktion ... 1

1.1 Företagsbakgrund ... 1

1.2 Problembeskrivning ... 1

1.3 Syfte ... 2

1.3.1 Inledande frågeställningar... 2

1.3.2 Projektmål ... 2

1.4 Förutsättningar ... 2

1.5 Avgränsningar ... 3

1.6 Riskanalys för projektet ... 3

1.7 Metod ... 4

1.7.1 Tidsplanering ... 4

1.7.2 Pro/ENGINEER ... 4

1.7.3 Pro/MECHANICA... 5

1.7.4 Produktanalys ... 5

1.7.5 CES Edupack ... 5

1.8 Teori ... 6

1.8.1 Kraft och moment ... 6

1.8.2 Spänning ... 6

1.8.3 Skjuvspänning ... 7

1.8.4 Effektivspänning ... 7

1.8.5 Friktion ... 8

1.8.6 Deformation ... 8

1.8.7 Töjning ... 8

1.8.8 Finita element metoden, FEM ... 9

2 Produkter och tillverkningsprocess... 12

2.1 Produkter ... 12

2.2 Bearbetningsprocesser ... 13

2.2.1 Riktning ... 13

2.2.2 Härdning ... 14

2.2.3 Svetsning ... 15

2.2.4 Ytbehandling ... 15

3 Litteraturstudie ... 16

3.1 Klippande bearbetning ... 16

3.1.1 Klippförlopp ... 16

3.1.2 Klippkantens utseende ... 18

3.1.3 Rullsax... 18

3.2 Teoretiska begrepp inom klippande bearbetning ... 19

3.2.1 Lutningsvinkel ... 19

3.2.2 Klippkraft och moment ... 19

3.2.3 Spalt och överlapp ... 20

3.3 Befintlig rullsax ... 22

3.3.1 Konstruktion ... 22

3.3.2 Infästning i produktion ... 24

4 Analys av befintlig rullsax ... 26

4.1 Växellåda ... 26

4.2 Lager och brickor ... 27

4.3 Motor ... 28

4.3.1 Borrmotorns och skärhjulets moment ... 31

4.3.2 Klippkraft och moment ... 32

4.4 Ram ... 34

4.4.1 3D-modellering ... 35

4.4.2 Randvillkor ... 35

4.4.3 FEM – Analyser ... 36

4.5 Nötning ... 40

4.5.1 FEM - analys av nötningsskada ... 41

4.6 Reversibilitet ... 42

4.7 Fritt lagrat skärhjul ... 42

4.8 Sammanfattning ... 43

5 Konceptframtagning ... 44

5.1 Reversibilitet ... 44

5.1.1 Valt koncept för reversibilitet ... 46

5.2 Ram ... 46

5.3 Motor ... 47

5.4 Sammanfattning ... 48

6 Utvecklat koncept... 49

6.1 Utvecklat reversibilitet koncept ... 49

6.2 Utvecklad ram ... 51

6.2.1 Kritiska mått... 51

6.2.2 Materialval ... 54

6.2.3 Konstruktion ... 56

6.2.4 Toleranser ... 58

6.2.5 FEM – Analyser ... 59

6.2.6 Feleffektsanalys ... 61

7 Diskussion ... 63

7.1 Resultatanalys... 63

7.2 Projekterfarenheter ... 63

7.3 Risker ... 63

7.4 Fortsatt arbete ... 64

8 Käll- och litteraturförteckning ... 67

Bilagor

1: Planering

2: Specifikation för examensarbete

3: Specifikation för befintlig rullsax

4: Specifikation för material 1050SM

5: Specifikation för material 1150SM

6: Specifikation för material 1650SM

7: Uträkning av klipparea

8: Mätning av kritiska mått

9: Analys av befintlig ram

10: Specifikation för Toolox 44

11: Analys av nytt koncept för ram

12: Konstruktionsritningar

1

1 Introduktion

Kapitlet kommer att ge en kort introduktion av företaget samt redogöra

examensarbetets problematik och metod som används under

genomförandet.

1.1 Företagsbakgrund

Sandvik Process Systems tillhör Sandvik Materials Technology som är ett av Sandvik AB:s tre kärnområden (figur 1). Process Systems har två huvudområden, utveckling av kompletta produktionslinor åt kunden samt tillverkning av plåtband för en mängd olika användningsområden.

Process Systems huvudkontor finns i Sandviken och hade år 2009 över 100 anställda.

Plåtbanden står för cirka 47 % av försäljningen (figur 2) och av dessa 47 % är mer än hälften till bak-, kyl- och träindustrin. Från år 1901 då det första plåtbandet levererades till träindustrin fram till idag har Sandvik AB varit världsledande inom plåtband och levererar till kunder världen över.

1.2 Problembeskrivning

Innan bearbetning av plåtband utförs svetsas de

båda ändarna ihop så att plåtbandet kan spännas upp i bearbetningsmaskinen. När önskvärda egenskaper erhållits och bearbetningen är klar är det dags att klippa av bandet med en rullsax

. Därefter rullas bandet ihop för vidare transport till kund. Med tiden har önskemål från kund kommit om tjockare och mer hållfasta plåtband, detta ställer krav på

1 Sandvik Process Systems, www.processsystems.sandvik.com gå in på ”Company Presentation”.

2 Ett verktyg för klippande bearbetning, beskrivs vidare i kapitel 3.1.3.

Figur 1: Sandvik AB:s organisationsform (källa:

www.sandvik.com).

Figur 2: Process Systems produktförsäljnings överblick (källa:

www.processsystems.sandvik.com).

2

att en rullsax utvecklas som klarar av att klippa dessa plåtband. Den befintliga rullsaxen har haft en tendens att fastna vid klippning av plåten, därför ska det nya konceptet ha möjlighet till en backfunktion, d.v.s. en reversibel rullsax.

1.3 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att utreda befintlig rullsax samt utveckla ett koncept på en rullsax som klarar de ställda kraven samtidigt som den ersätter befintlig rullsax vad gäller infästning i produktion och mobilitet.

1.3.1 Inledande frågeställningar

 Vilka svaga punkter har den befintliga rullsaxen?

 Hur stor kraft och moment krävs för att klippa höghållfastplåt?

 Hur ska det nya konceptet utformas?

1.3.2 Projektmål

Målsättningen är att utreda samtliga svaga punkter hos den befintliga rullsaxen samt att utveckla ett koncept som undviker dessa brister och klarar av att klippa Sandviks höghållfasta plåt. En modell som företaget kan använda eller vidareutveckla.

Projektet har även präglats av en del personliga mål som ökad kunskap inom produktionsteknik, hållfasthetslära och konstruktion. Samt att få en inblick i ingenjörens vardag och upprätthålla en affärskontakt som kan fungera meriterande vid en framtida anställning.

1.4 Förutsättningar

För att målen ska uppnås krävs fördjupande kunskaper inom flera områden, följande

verktyg kommer i huvudsak att användas.

3

Klippkraft

och moment: För att beräkna den teoretiska klippkraften och momentet som den utgör krävs kunskaper i produktionsteknik.

Modellering: CAD

-programmet Pro/Engineer

(Pro/E) kommer att användas för att 3D- modellera både befintlig rullsax samt det nya konceptet.

Hållfasthetsanalys: För att utföra dessa analyser kommer 3D-modellerna att överföras till Pro/Mechanica

(Pro/M) där FEM

-analyser utförs.

Hållfasthetslära: Traditionell hållfasthetslära kommer att användas vid analys av komponenter och ram.

1.5 Avgränsningar

 Skärstålen kommer inte att utredas

 Inget som händer före eller efter klippningen kommer att bearbetas

 Endast statiska analyser utförs i PRO/M

1.6 Riskanalys för projektet

Det finns risk att problem uppstår som påverkar ett projekt på ett icke önskvärt sätt.

Därför är det viktigt att göra en riskanalys för projektet som förbereder medarbetare på vad som skulle kunna tänkas förekomma. I riskanalysen framgår tänkbara risker och hur orsakerna till dessa minimeras eller undviks.

Tidsplaneringen räcker inte till. Orsakerna kan vara frånvaro pga. sjukdom. Det är fördelaktigt om denna risk tas till hänsyn när en planering över projektet skapas, att inte göra en för pressad tidsplanering minimerar problemet.

3 Beskrivs vidare i kapitel 3.2.2

4 CAD är en förkortning till ”Computer Aided Design”, översatt blir det datorstödd konstruktion.

5 Pro/Engineer beskrivs vidare i kapitel 1.7.2

6 Pro/Mechanica beskrivs vidare i kapitel 1.7.3

7 FEM står för Finita element metoden och beskrivs vidare i kapitel 1.8.5

4

Missvisande resultat av FEM - analyser på nuvarande rullsax kan vara en orsak av felaktig modellering i Pro/E och tillhörande modul Pro/M. Detta är viktigt att ha i åtanke när 3D-detaljer av den verkliga rullsaxen skapas och analyseras. För att minimera problemet ska noggranna mått tas från verklig rullsax, fastsättningar av 3D-montaget måste stämma överrens med verkligheten så bra som möjligt och 3D-detaljer ha rätta materialspecifikationer.

FEM - analyser av solida geometrier kräver hög prestanda hos den dator som utför beräkningarna, detta leder till problem om prestandan inte finns tillgänglig, till exempel att analysen tar väldigt lång tid. Problemen minimeras av att en dator med hög prestanda används, det går även att dela upp CAD-montaget och köra olika analyser.

1.7 Metod

För att nå målsättningen och uppfylla syftet har ett antal metoder använts.

I detta kapitel beskrivs metoderna och dess användningsområden.

1.7.1 Tidsplanering

Examensarbetet omfattar 10 veckors heltidsstudier under vårterminen 2010. Inom denna tidsram ingår ett antal faser bland annat informationsinsamling, teoretiska uträkningar, produktutveckling och eventuella tester av slutlig produkt. För att faserna ska ge, ett av alla parter godkänt resultat är det viktigt att tiden delas upp inom dessa, detta görs med en tidsplanering. Gantt-schema (bilaga 1) ger en bra översikt över alla faser och dess tidsfördelning.

1.7.2 Pro/ENGINEER

Pro/E är ett välutvecklat CAD-program som används för att skapa 3D-detaljer som sedan

kan monteras ihop till 3D-modeller. Den befintliga och den produktutvecklade rullsaxen

modellerades till 3D-modeller, modellerna användes sedan för hållfasthetsanalyser i

Pro/M och illustrativa bilder i rapport. För att skapa en 3D-detalj i Pro/E görs först en

skiss i två dimensioner som sedan extruderas eller roteras till en solid komponent.

5 1.7.3 Pro/MECHANICA

Mechanica är en tillhörande modul till Pro/E. Modulen används till bl.a.

hållfasthetsberäkningar och dynamiska beräkningar på 3D-modeller. 3D-modeller som skapats i Pro/E har överförts till Mechanica.

1.7.4 Produktanalys

För att ta reda på vilka faktorer som gör att den nuvarande rullsaxen inte klarar av utvalda plåttjocklekar och plåtkvalitéer gjordes en produktanalys. FEM - analyser utfördes i Pro/Mechanica på den befintliga rullsaxens ram för att utreda svaga punkter. Information om positiva respektive negativa egenskaper t.ex. saknaden av reversibilitet hos nuvarande rullsax införskaffades genom diskussioner och intervjuer med operatörer och produktionstekniker.

1.7.5 CES Edupack

CES Edupack är ett användbart datorprogram som bland annat kan användas för att få

information om olika materialtyper och tillverkningsmetoder. Programmet har funktioner

som till exempel kan hjälpa användaren att rangordna material för olika

användningsområden.

6 1.8 Teori

Detta avsnitt kommer att beskriva och förklara några av de grundläggande teoretiska begreppen i rapporten.

1.8.1 Kraft och moment

Kraft (F) är en fysikalisk storhet med riktning och storlek, betecknas med enheten Newton (N).

Kraft definieras enligt:

(1.1)

Där m är massan i kg och g är tyngdaccelerationen som har storleken cirka 9,82 m/s

.

Momentet (M

) i en punkt är ett resultat av en kraft som verkar på en hävarm (d).

Moment har enheten Newtonmeter (Nm). Hävarmen är avståndet från kraftens angreppspunkt till momentpunkten (figur 3). Moment definieras enligt:

(1.2)

1.8.2 Spänning

När en kropp utsätts för yttre krafter t.ex. tryck eller drag uppstår spänningar i materialet.

Tryckkrafter ger negativa spänningar medan dragkrafter ger positiva spänningar.

Spänning definieras enligt:

(1.3)

Där F är kraften i N och A är arean i mm

. Spänning betecknas vanligtvis med enheten N/mm

eller MPa.

8 Forsman, Daniel, Konstruera med Pro/ENGINEER Wildfire 4.0, sidan 60

Figur 3: Kraften(F) skapar ett moment(Mv) med hävarmen(d).

7 1.8.3 Skjuvspänning

Om en kropp påverkas av två lika stora motriktade krafter strävar dessa krafter att förskjuta kroppens tvärsnitt relativt varandra (figur 4).

Kraften F sägs vara en ren skjuvbelastning och en likformig skjuvspänning definieras enligt:

(1.4)

Där F är kraften i N och A är sektionsarean där skjuvningen uppkommer i mm

. Skjuvspänningen erhålls i enheten N/mm

eller MPa.

1.8.4 Effektivspänning

Det förekommer två olika metoder för att beräkna effektivspänningar, den ena är von Mises och den andra är Tresca. Teorin bakom metoderna är densamma och innebär att alla förekommande spänningar i varje punkt räknas samman till en effektivspänning.

Effektivspänningen kan sedan jämföras med materialets sträck- eller brottgräns.

Von Mises:

(1.5)

Tresca:

(1.6)

9 Karlebo handbok, Upplaga 14, sidan 220 Figur 4: Skjuvning.

8 1.8.5 Friktion

Friktion (F

) är en kraft som är motriktad kroppens relativa rörelseriktning (figur 5). Friktion uppkommer mellan två ytor som är i kontakt. När dessa två ytor rör sig relativt varandra omvandlas friktionens rörelseenergi till värme.

1.8.6 Deformation

Det förekommer två olika typer av deformationer, elastiska och plastiska. Den elastiska deformationen kan liknas vid t.ex. ett gummiband som dras ut av en kraft. Kraften deformerar materialet och när kraften upphör återgår bandet till sin ursprungliga form och längd, d.v.s. materialet har ingen kvarstående deformation.

Den plastiska deformationen kan liknas vid t.ex. modell lera som dras ut. När kraften upphör återgår materialet inte till sin ursprungliga form och längd, dvs. en kvarstående deformation har uppstått.

För att kvarstående deformationer ska uppstå i ett material måste spänningen överstiga materialets sträckgräns, detta kallas att materialet flyter.

1.8.7 Töjning

När ett material utsätts för dragspänning kommer det att töjas, d.v.s. materialet dras isär (figur 6).

Eftersom töjningen (ε) är proportionell mot den totala deformationen kan den beskrivas med ekvationen:

(töjning för endimensionellt fall)

(1.7)

Där u är deformationen och L är ursprungliga längden.

Figur 5: Friktion.

Figur 6: Stång som belastas med en kraft.

9 1.8.8 Finita element metoden, FEM

Termen "finita element" har sitt ursprung från rymd- och flygindustrin på 1960-talet, industrierna använde metoden för att analysera konstruktioners deformationer, egenfrekvenser och hållfasthet. Idag är metoden utvecklad och det finns ett stort utbud av användarvänliga FEM - program som underlättar analyseringen. De största användningsområdena av FEM idag är bl.a. statiska och dynamiska hållfasthetsberäkningar, egenfrekvenser och temperaturberäkningar.

Metoden baseras på sambandet mellan fjäderkraften och fjäderns förlängning:

(1.8)

Där k är fjäderns styvhet och u är fjäderns förlängning. Ekvationen representerar styvheten hos en konstruktion. Materialet fjädrar linjärt i förhållande till belastningen om Hooke’s lag gäller för den materialtypen.

Hooke´s lag:

(1.9)

Sambandet mellan spänningen och töjningen i materialet:

(1.10)

När kännedom om hur konstruktionen deformeras erhållits kan det omvandlas till spänningar i materialet genom ekvationerna (1.9) och (1.10).

En detalj med varierande area som dras ut med kraften F (figur 7).

10 Forsman, Daniel, Konstruera med Pro/ENGINEER Wildfire 4.0, sidan 67-72

Figur 7: Stång med varierande tvärsnittsarea belastas med en kraft.

10

För att deformationer ska kunna beräknas approximeras konstruktionen till sammanhängande element som har fjädrande egenskaper (figur 8). Varje element har sin egen styvhet, betecknat , där n är elementets nummer.

Figur 8: Delarna ses som element med olika styvheter.

Ett allmänt element (figur 9) betraktas och ger följande jämviktsekvationer baserade på ekvation (1.8).

(1.11) (1.12)

Ekvationerna görs om till matriser och vektorer:

(1.13)

En styvhetsmatris ställs upp för element 1 (1.13).

Här tas frihetsgraderna för konstruktionen till hänsyn, dvs. hur mycket en nod tillåts flyttas eller rotera. I den utdragna stången (figur 7) tillåts noderna endast att flyttas i 1 riktning, alltså totalt 3 noder som kan flyttas resulterar i 3 frihetsgrader.

Figur 9: Ett element betraktas.

11

Styvhetsmatrisen för element 1 ställs upp enligt nedan:

På samma sätt ställs en styvhetsmatris upp för element 2.

Styvhetsmatriserna läggs sedan ihop, även kallat assemblering:

(1.14)

Enligt matris (1.13) ges ekvationssystemet:

De okända variablerna kan nu lösas ut genom att kända förskjutningar (låsta noder får värdet 0) och de kända krafterna(F är pålagd kraft och F

är reaktionskraften i nod 1) matas in i matrisen, även elementens styvhet matas in:

Nod 1 Nod 2 Nod 3 (ingen koppling) Nod 1

Nod 2

Nod 3 (ingen koppling)

12

2 Produkter och tillverkningsprocess

I detta kapitel beskrivs företagets produkter samt att en förenklad beskrivning av tillverkningsprocessen redogörs.

2.1 Produkter

Här beskrivs några av de vanligaste plåtbanden som Sandvik Process Systems gör.

Sandvik 1050SM (bilaga 4) klarar av temperaturskillnader mycket bra och är därför lämpad för t.ex. matindustrin.

 Klarar ganska hög statisk belastning

 Har hög utmatningsgräns

 Mycket enkel att reparera

 Har hög nötningsbeständighet

Sandvik 1150SM (bilaga 5) används inom en mängd olika områden. Dess materialegenskaper gör den väldigt allsidig och den klarar de allra flesta miljöerna.

 Klarar hög statisk belastning

 Har hög utmattningsgräns

 Mycket enkel att reparera

 Hög nötningsbeständighet

Sandvik 1650SM (bilaga 6) är det plåtbandet som är bäst lämpat för tuffa miljöer, dess materialegenskaper gör att det klarar de flesta påfrestningarna.

 Klarar mycket höga statiska belastningar

 Har mycket hög utmatningsgräns

 Väldigt enkel att reparera

 Mycket hög nötningsbeständighet

11 www.processsystems.sandvik.com gå in på ”Products”, ”Steel belt” och sedan ”Materials”.

13 2.2 Bearbetningsprocesser

Detta avsnitt behandlar bearbetningsprocessen från råvarumaterial till färdigt plåtband.

2.2.1 Riktning

Råvarumaterialet som beställs in är valsad plåt, dock har den ojämna kanter och en låg ytjämnhet.

För att åtgärda detta körs plåtbandet in i den första bearbetningsprocessen som är riktning. I denna maskin spänns bandet upp mellan två stora trummor. Den ena av trummorna spänner ut plåtbandet med hjälp av två stora hydraulcylindrar (figur 10).

Plåtbandets ojämnhet kavlas ner. Processen kan liknas valsning, dock ändras inte plåtens tjocklek utan endast ojämnheten och kantens rakhet. Kavlarna består i själva verket av flera mindre (figur 11).

Figur 11: Ojämnheten i plåtbandet riktas ned.

Plåtband Sträckgräns (MPa) Brottgräns (MPa) Hårdhet (Vickers)

1050SM 1000 1080 340

1150SM 1110 1150 380

1650SM 1580 1600 480

Tabell 1: Plåtbandens materialegenskaper.

Figur 10: Cylindrar trycker ut trummorna och spänner upp plåtbandet.

14

I och med att plåtbandet riktas till en hög ytjämnhet så jämnas även de inre spänningarna ut. Detta medför en mindre risk för deformationer i plåten vid senare bearbetningar.

Operatören gör ständiga kontroller med vattenpass för att säkerhetsställa att jämnheten på bandet är rätt.

2.2.2 Härdning

Härdning är en termisk värmebehandling som medför att materialets hårdhet ökar.

Härdningen utförs i syfte att höja materialets hållfasthet. Temperaturen och tiden för behandlingen varierar från band till band och beroende på vilka egenskaper som eftersträvas.

För 1650SM kan behandlingen delas in i följande tre steg och under följande temperaturer (figur 12):

1. Upplösningsbehandling: Materialet värms upp tills kornen löses upp.

2. Snabb avkylning

3. Normalisering: Materialet värms upp igen till en temperatur mellan 400-600 °C för att förfina kornen. Sedan låts det svalna fritt i luften.

12 www.processsystmes.sandvik.com gå in på ”Products”, ”Steel belt book – guide” och ”Manufacturing”

13 www.processsystmes.sandvik.com gå in på ”Products”, ”Steel belt book – guide” och ”Properties of steel belts”

Figur 12: Temperaturer och tid vid härdning av 1650SM.

1

2 3

15 2.2.3 Svetsning

Beroende på vilken typ av plåtband som bearbetas kan bredden på ett band variera mellan 1250, 1560 och 2000 mm. Utifall en kund önskar bredare band kan flera av dessa svetsas samman. Plåtbanden måste läggas mot varandra och längdsvetsas, detta ställer höga krav på att plåtbanden är lika i tjocklek, materialegenskaper och sammansättning.

2.2.4 Ytbehandling

Det finns flera olika ytbehandlingar som ger plåtbanden speciella egenskaper som kunden eftersträvar. Några av de specifika ytbehandlingarna är:

 Slipning – för att eliminera felaktigheter och erhålla önskad ytjämnhet slipas plåtbanden.

 Spegelpolering – en kombination av slipning och polering som ger väldigt hög ytjämnhet.

 Ciselering – ett mönster etsas direkt på plåten i en elektrolytisk process.

 Våffelmönster – en stor press med våffelmönster pressas in i plåten och skapar avtryck (figur 13).

 Krombelagd – plåten får en krombeläggning som ger ökad nötningsbeständighet.

 Gummibelagd – plåten beläggs med gummi för ökad friktion.

Stansning: Inom livsmedelindustrin är det vanligt att plåtar med stansade hål (figur 14) används eftersom det underlättar vid t.ex. tvättning och torkning av produkterna. Hålen slås ut med kraftiga stansningsmaskiner.

14 www.processsystmes.sandvik.com gå in på ”Products”, ”Steel belt book – guide” och ”Properties of steel belts”

Figur 13: Plåtband med våffelmönster. Figur 14: Plåtband med stansade hål.

16

3 Litteraturstudie

I detta kapitel sammanfattas litteraturstudien som genomförts under examensarbetet. En introduktion i klippande bearbetning samt vad som händer under klipprocessen. De teoretiska begreppen inom klippande bearbetning och en beskrivning av den befintliga rullsaxen redogörs.

3.1 Klippande bearbetning

Klippning är en bearbetningsmetod som utförs med två mot varandra arbetande eggar varigenom ett material passerar emellan och delas i mindre stycken (figur 15).

Materialet deformeras så stort kring skäreggen att brott uppstår. Därför är materialets töjbarhet och dess brottegenskaper av stor betydelse vid denna bearbetningsprocess.

I stort sett kan alla material klippas förutom de allra hårdaste då ett av de viktigaste grundvillkoren är att skäreggen är hårdare, segare och mindre elastiska än arbetsmaterialet. Även maskinernas kapacitet blir en begränsning eftersom tjockare arbetsstycke erfordrar en mycket större kraft.

3.1.1 Klippförlopp

Innan materialet skjuvas av består klipprocessen till stor del av plastisk deformation.

Denna deformation bör undvikas i så stor mån som möjligt, en mindre plastisk deformation ger en bättre kvalité på klippkanten.

Vid klippförloppets start sker en elastisk deformation i materialet (figur 16). Vid det här laget känner inte materialet av några större påkänningar och själva klippningen är inte påbörjad än.

15 Hågeryd, Lennart, Björklund, Stefan, och Lenner, Matz, Modern Produktionsteknik Del 1, sidan 179

Figur 15: Två skäreggar som utför klippande bearbetning.

17

När spänningen i materialet ökar till sträckgränsen kommer materialet att börja plasticeras (figur 17). Runt skäreggen bildas en deformationszon. Drivs klippförloppet vidare kommer klippkraften att öka pga. materialets deformationshårdnad. När eggarna fortsätter in i materialet så minskar sektionsarean, dvs. den area som skjuvas. Detta gör att klippkraften i detta steg kommer att nå sitt maximum.

Då skäreggen har trängt in cirka 40% av plåtens tjocklek sprider sig sprickor från skäreggen snett inåt (figur 18). Sprickbildningen är en påföljd av att skjuvspänningen överstiger materialets brottgräns, när den har inträffat sjunker klippkraften mycket snabbt.

Skarpa skäreggar medför att detta sker snabbare då spännigskoncentrationen blir mycket högre med en mindre area. Klippningen blir fullbordad innan skäreggen möts till följd av att sprickorna är snabbare än de rörliga eggen (figur 19).

16 Hågeryd, Lennart, Björklund, Stefan, och Lenner, Matz, Modern Produktionsteknik Del 1, sidan 177-178

17 www.sciencedirect.com, sök på titel ”3D FEM simulation of stationary metal forming processes” och författare ”H.H Wisselink”.

Figur 17: Andra fasen i klippningen, plastisk deformation.

Figur 16: Påbörjad klippning, elastisk deformation.

Figur 18: Sprickbildningen har börjat. Figur 19: Sprickorna möts inuti materialet.

18

Tilläggas bör att om skäreggen är utslitna kommer processen ändras någorlunda.

Begynnelsestadierna kommer i stort sett vara oförändrade. Dock kommer brottet inträffa mycket senare. Tidigare nämndes att brott inträffar då eggen trängt in cirka 40 % av plåtens tjocklek, detta kommer vid utslitna verktyg att ske först vid cirka 60 % inträngning.

3.1.2 Klippkantens utseende

En klippkant kan i verkligheten ha flera olika geometriska former. Figur 20 illustrerar hur kanten ska se ut i idealfallet. Materialet kommer att dras ner lite mot klippkonturen, denna kant kallas vankant. Närmast den kanten kommer ytan att vara slät och blank, det är denna yta som bildas i den plastiska deformationen och kallas blankzon. Där sprickbildningen börjar kommer ytan att bli väldigt ojämn och rispig, denna zon utsätts för brott och kallas brottzon. Längst ner finns en klippgrad som består av hårt deformerat material.

3.1.3 Rullsax

Klippning med en rullsax sker genom att två roterande skärhjul sitter på parallella axlar och klipper plåten på var sin sida (figur 21). Rullsaxen kan ha båda eller eventuellt det ena skärhjulet som drivande. Det finns även rullsaxar som matas fram av en motor samtidigt som båda skärhjulen är fritt lagrade. Detta utförande saknar dock mobilitet.

18 Reiner, Dan, Plastisk och styckeskärande bearbetning, sidan 97

19 Hågeryd, Lennart, Björklund, Stefan, och Lenner, Matz, Modern Produktionsteknik Del 1, sidan 192 Figur 20: Klippkantens utseende.

Figur 21: Klippning med rullsax.

19

3.2 Teoretiska begrepp inom klippande bearbetning

I detta avsnitt beskrivs de viktigaste teoretiska begreppen för att förstå och kunna räkna på klippande bearbetning.

3.2.1 Lutningsvinkel

Lutningsvinkeln (η) är vinkeln mellan skärhjulets centrum och punkten då skärhjulet kommer i kontakt med arbetsmaterialet (figur 22). För att rullsaxen ska kunna mata fram sig själv krävs det att η är större än friktionsvinkeln mellan skärhjul och arbetsmaterial i annat fall glider arbetsstycket undan. I teorin anges ett riktvärde på att diametern av skärhjulen bör vara 70 gånger större än plåttjockleken för att övervinna friktionen.

Tänder på skärhjulen kommer däremot öka friktionsvinkeln avsevärt och mindre skärhjul kan användas.

3.2.2 Klippkraft och moment

Klippkraften är den kraft som krävs för att klippa materialet.

Den erhålls ur följande ekvation

:

(3.1)

k

= Materialets skärhållfasthet (N/mm

) approximeras vanligtvis som . Där R

är materialets brottgräns (N/mm

).

A = Klipparea (mm

) den area som klipps av skärhjulen (figur 23). Klipprocessen startar i punkt a och arbetsmaterialet kommer teoretiskt sett att vara klippt när de båda skärhjulen möts i

20 Karlebo handbok, Upplaga 14, sidan 456

21 Idib, sidan 456

η

r

F M

Figur 22: Lutningsvinkel, klippkraft och moment.

Figur 23: Den streckade arean, klipparean, är den area som klipps av skärhjulen.

20

punkt b. Den streckade arean kommer då att ha utsätts för klippning och är sålunda klipparean.

För att kunna erhålla denna kraft krävs det ett vridande moment runt skärhjulets axel.

Kraften kommer att i det kritiska fallet ha radien (r) som hävarm (figur 22).

3.2.3 Spalt och överlapp

Spalt och överlapp är namn på bredd- och höjdmåttet mellan de båda skärhjulen (figur 24).

Framförallt spalten som har en stor inverkan på hur klippningen utförs.

Väljs en stor klippspalt kommer deformationszonen att bli mycket stor, sprickorna från skäreggen kommer inte att mötas i materialet och materialet brister inte genom rena dragspänningar. Detta medför en grov klippyta (figur 25), stor klippkraft och ett snabbt verktygsslitage.

Väljs en lämplig spalt kommer sprickorna att mötas i materialet. Brottzonen blir stor och det ger en mindre fin klippyta (figur 25) men ger dock minsta möjliga klippkraft och litet verktygsslitage.

För att få bättre precision och rakhet i klippet kan spalten minskas. Blankzonen ökar då verktyget glider mot materialet under en längre sträcka, detta medför en ökad kraft och ökat verktygsslitage.

22 Hågeryd, Lennart, Björklund, Stefan, och Lenner, Matz, Modern Produktionsteknik Del 1, sidan 180

Spalt

Hål till lager y-led

Överlapp

Hål till lager y-led

Skärhjul

Figur 24: Spalt och överlapp.

21 Teoretiska riktvärden på spalten:

 Stor spalt: 10-15 % av plåtens tjocklek

 Lämplig spalt: 5 – 10 % av plåtens tjocklek

 Liten spalt: Mindre än 5 % av plåtens tjocklek, kan även vara negativ

Dock kan dessa riktvärden variera med olika typer av material. T.ex. kräver segare material mindre spalt än hårdare och sprödare material.

Överlappen sätts till ett lämpligt värde beroende på vad för slags material som ska klippas. Vid tunt och segt material bör skärhjulen gå om lott för att brott ska uppstå. Är materialet grovt så räcker det om skärhjulen går en bit in i materialet för att klippa av det.

23 Reiner, Dan, Plastisk och styckeskärande bearbetning, sidan 97

För liten spalt ger ojämn klippyta För stor spalt ger ojämn klippyta

Riktig spalt ger ren klippyta, dock inte vinkelrät

Riktig spalt och sned klippriktning ger ren och vinkelrät klippyta

Figur 25: Spaltens inverkan på klippningen.

22 3.3 Befintlig rullsax

Detta avsnitt kommer att behandla den befintliga rullsaxen, dess funktion och komponenter samt hur den är infäst och fungerar i produktion i dagsläget. Rullsaxens specifikation kan läsas i bilaga 3.

3.3.1 Konstruktion

Borrmotorn är monterad och fastskruvad mot rullsaxens axel. Momentet från motorn överförs till det övre skärhjulet via en axel och två olika växlar. Varvtalet växlas ner samtidigt som momentet ökas genom två olika växeltyper. Det övre skärhjulet roterar och matar fram rullsaxen över plåten. Det undre skärhjulet är fritt lagrat. När rullsaxen används portabelt ger 2st hjul stöd mot underlaget. (figur 26)

1

2

3 5

3

4

6

Motorplacering

Stöd

Skärhjul

Ram Hjul

Excenter- axel Skärhjul

Stödtrumma Kuggväxel

Axel

Snäckväxel

Figur 26: Sprängskiss på den befintliga rullsaxen.

23 Komponentlista:

 Motorplacering – här monteras borrmotorn

 Snäckväxel – växlar ner varvtal från borrmotorn till kuggväxel

 Kuggväxlar – växlar ner varvtal från snäckväxeln ut till skärhjulet

 Skärhjul – klipper plåten

 Excenteraxel – möjliggör inställningar i höjdled på det undre skärhjulet

 Hjul – ger rullsaxen stöd mot underlaget vid portabel användning

 Ram – rullsaxens ram av gjutstål

 Stöd – ger rullsaxen stöd mot underlaget när den inte används

 Lager 1 till 6 – olika typer av lager

Excenteraxeln gör det möjligt att ställa överlapp mellan skärhjulen. Den nedre cirkulära skivan är inte centrerad på lageraxeln vilket gör att avstånden a och b varierar (figur 27). Excenteraxeln roteras genom att skruva på ställskruven, detta gör att det nedre skärhjulets position ändras i höjdled.

Växellådan är en sammankoppling av två olika växeltyper som utför två nerväxlingar av varvtalet från borrmotorn (figur 28). Varvtalet växlas ner samtidigt som effekten ökas.

Snäckväxel: En växeltyp som används för att

överföra effekter vid stora

utväxlingsförhållanden. Den drivande delen kallas snäckskruv och den drivna delen snäckhjul (figur 28), axlarna korsar varandra vinkelrätt. Vid små effekter kan en utväxling på 100 och mer erhållas, utväxlingen sker vanligtvis

från ett högre varvtal till ett lägre. Verkningsgraden är dock

alltid sämre hos en snäckväxel än hos en cylindrisk kuggväxel med samma kvalitet.

Snäckhjul Övre

skärhjul

Snäckskruv

Cylindrisk kuggväxel

b

a

Ställskruv Cirkulär skiva

Figur 28: Växellådans uppbyggnad.

Figur 27: Excenteraxel.

24

Cylindriska kuggväxlar: Används när effekter ska överföras mellan parallella axlar.

Kugghjulen kan ha raka kuggar eller sneda kuggar.

Skärhjul: När plåten klipps roterar de två skärhjulen i motsatt riktning till varandra, endast det övre skärhjulet drivs av borrmotorn. Tänder som är belagda på det övre hjulet ökar friktionen mellan skärhjul och plåt (figur 29).

Spalt: varieras med shims dvs. cirkulära plåtskivor med en tjocklek på 0,2mm som monteras mellan det undre skärhjulet och stödtrumman.(figur 30)

3.3.2 Infästning i produktion

Den befintliga rullsaxen levereras ämnad för portabel användning (figur 31).

Övervinningen av friktionen mellan skärhjul och arbetsstycke gör att rullsaxen matar fram sig själv. Med hjälp av stödhjulen ska operatören endast guida rullsaxen i klippriktningen.

Vid infästning av rullsaxen i någon av bearbetningsmaskinerna plockas hjulen bort, där hjulens axel gick igenom skruvas rullsaxen fast i infästningspunkten (figur 32).

Infästningsplattan som rullsaxen är fastmonterad i drivs fram på ett glidspår med hjälp av en hydraulmotor med drivkedja. Matningshastigheten på infästningsplattan är lika som rullsaxens. Den externa matningen ska i själva klipprocessen endast följa med rullsaxen då dess huvudfunktion är att efter slutförd klippning föra tillbaka rullsaxen till ursprungspositionen. Under klippningen kommer rullsaxen att tryckas mot ställskruven, med hjälp av den kan rullsaxens vinkel gentemot plåtbandet justeras.

Shims

Figur 29: Skärhjulens utformning. Figur 30: Spalten ställs in med hjälp av shims.

25

Figur 31: Portabel rullsax.

Figur 32: Rullsax infäst i bearbetningsmaskin.

26

4 Analys av befintlig rullsax

Detta kapitel kommer redogöra analysen av den befintliga rullsaxen, vilka dess begränsningar och svaga punkter är samt vad det nya konceptet bör fokusera på att förbättra.

4.1 Växellåda

För att mäta växellådans totala utväxling kopplades en tacometer

på borrchucken och det övre skärhjulet. Fem olika mätningar utfördes för att resultaten ska vara mer exakta.

Försök nr

Hastighet

(m/min) Försök nr

Hastighet (m/min)

1 184 1 4,2

2 179 2 4,8

3 181 3 4,2

4 183 4 4,8

5 181 5 4,8

Medel 182 Medel 4,6

Tabell 2: Borrchuckens hastighet.

För att kunna räkna ut utväxlingen måste dessa hastigheter omvandlas till varvtal med följande ekvation:

(4.1)

n = Varvtal (varv/min) v = Hastighet (min/min) d = diameter

Borrchuckens diameter: 0,049 m Skärhjulets diameter: 0,150 m

24 Instrument som mäter varvtal och hastighet på roterande detaljer.

Tabell 3: Skärhjulets hastighet.

27 Borrchuckens varvtal:

Skärhjulets varvtal:

När varvtalen erhållits kan utväxling räknas ut med följande ekvation:

(4.2)

Växellådan bedöms inte vara i behov av att vidareutvecklas i detta skede då utväxlingen anses vara tillräckligt stor samtidigt som inga synliga nötningsskador observerats.

Axlarna i växellådan är inte i behov av utveckling då det inte finns några problem med att de kröker sig.

4.2 Lager och brickor

För att säkerhetsställa att lager och låsbrickor i växellådan samt på excenteraxeln inte är några svaga punkter analyserades deras specifikationer. Samtliga lager och låsbrickor är från SKF.

På excenteraxeln sitter det tre stycken radiallager och en låsbricka.

Typ: Produktnummer Max statisk last (kN) Max dynamisk last (kN) Max varvtal (rpm)

3 st lager: 6007

10,2 16,8 24000

1 st låsbricka: KM 7

50

25 Nebes, Ernst, Produktionstekniker, arbetat och analyserat rullsaxen på SPS, (muntlig källa)

26 www.skf.se, produkter och sök sedan på produktnummer Tabell 4: Lager på excenteraxel

28

Axiallagringen av snäckskruvens axel utförs av ett kombinerat nålaxiallager

.

Typ: Produktnummer Max statisk last radiellt/axiellt (kN)

Max dynamisk last radiellt/axiellt (kN)

Max varvtal (rpm)

1 st lager: NKX 15 Z

14 / 18,3 11,2 / 10,6 7000

Tabell 5: Lagring av snäckskruvens axel.

I växellådan återfinns tre radiallager, ett koniskt rullager samt två låsbrickor som låser de båda axlarna.

Typ: Produktnummer Max statisk last (kN) Max dynamisk last (kN) Max varvtal (rpm)

2 st lager: 6205-2RSH

7,8 14,8 8500

1 st Låsbricka: KM 5

31,5

1 st lager: 6304-RSL

7,8 16,8 15000

1 st låsbricka: KM 4

24

1 st koniskt rullager:

32010 X/Q

88 60,5 8000

Tabell 6: Lager som finns i växellådan.

Lagren ser till att axeln kan rotera även under belastning, belastningen i detta fall kommer att bli halva klippkraften. Lagren och brickorna är väl dimensionerade och det finns i dagsläget ingen risk för att dessa är svaga punkter.

Lagren har även demonterats ur växellådan och observerats, inga synbara skador på lagerbanor och kulor. Hittills har man ifrån produktion inte haft några anmärkningar på lagren.

4.3 Motor

Tidiga samtal med operatörer pekade på att borrmotorn är den stora begränsningen i rullsaxen, således analyserades den först. För att erhålla förståelse om klipprocessen och

27 http://www.skf.com/portal/skf/home/products?maincatalogue=1&lang=en&newlink=1_18_1

28 Nebes, Ernst, Produktionstekniker, arbetat och analyserat rullsaxen på SPS, (muntlig källa)

29

hur rullsaxen fungerar gjordes ett antal provklippningar med 1650SM och 1150SM.

Under klippningen mättes borrchuckens varvtal för att sedan jämföras med tidigare mätningar vid obelastad borrmotor. 1650SM klipptes i godstjocklekarna 2,4 och 3 millimeter medan 1150SM endast klipptes i 2,4 millimeter.

Varje material klipptes fem gånger för att erhålla en så god precision som möjligt i mätresultaten. Medelhastigheten gjordes om till varvtal med ekvation (4.1).

n = 763 varv/min

n = 819 varv/min

n = 682 varv/min

Försök nr Hastighet (m/min)

1 128

2 113

3 107

4 117

5 122

Medel 117,4

Tabell 7: Hastighet för klippning av 1150SM med godstjocklek 2,4 mm .

Plåtband: 1650SM t = 2,4 mm Försök nr Hastighet (m/min)

1 135

2 125

3 117

4 130

5 123

Medel 126

Tabell 8: Hastighet för klippning av 1650SM med godstjocklek 2,4 mm

Plåtband: 1650SM t = 3 mm Försök nr Hastighet (m/min)

1 109

2 105

3 102

4 107

5 102

Medel 105

Tabell 9: Hastighet för klippning av 1650SM med godstjocklek 3 mm

30

Resultatet visade att borrmotorn anstränger sig mindre vid klippning av 1650SM än 1150SM med samma godstjocklek. Anledningen till detta kan vara att 1650SM är ett sprödare material och med rätt inställd spalt uppstår brott tidigare och sprickorna möts i materialet. Studeras klippkanterna (figur 33) ser man klart och tydligt att så är fallet.

Kanterna skalades upp och uträkning gjordes vid hur många procent av inträngning i plåtens tjocklek som brott uppkommer. 1650SM:s olika tjocklekars klippkanter skalades upp och samma resultat erhölls.

1650SM: Brott uppkom vid ca 23-30% inträngning av plåttjockleken.

1150SM: Brott uppkom vid ca 38-42% inträngning av plåttjockleken.

Detta kommer påverka klippkraften väldigt mycket då klipparean blir väsentligt mycket mindre än om klippytan skulle vara lika stor som tjockleken på plåtbandet. Den avgörande faktorn för när brott uppkommer och om sprickorna kommer att mötas i materialet är en rätt inställd spalt

.

29 Nebes, Ernst, Produktionstekniker, arbetat och analyserat rullsaxen på SPS, (muntlig källa)

Klippyta Brottyta Klippyta Brottyta

Figur 33: Klippkanter, 1150SM till vänster och 1650SM till höger.

31

4.3.1 Borrmotorns och skärhjulets moment

Borrmotorn ger upphov till ett moment som genom utväxling överförs till det övre skärhjulet. Det är viktigt att momentet vid det övre skärhjulet är högre än momentet som krävs för att generera klippkraften för den specifika plåten.

Borrmotorns moment

:

(4.3)

P = Borrens effekt (0,7 kW)

n = Borrchuckens varvtal (1180 rpm)

Moment vid övre skärhjul:

(4.4)

i = Utväxling (118)

Momentet som krävs för att utföra klippning får inte överskrida 669 Nm utifall den befintliga borrmotorn ska klara av det.

30 Björk, Karl, Formler och Tabeller för Mekanisk Konstruktion, mekanik och hållfasthetslära, 6 upplagan, sidan 23

32 4.3.2 Klippkraft och moment

Klippkraften kommer att bero på plåtbandets skärhållfasthet (k

) och klipparean A, ekvation (3.1).

k

värden:

1650SM = 1280 N/mm

1150SM = 920 N/mm

Klipparean kommer att variera beroende på arbetsstyckets tjocklek och hur stor inträngning skärhjulen gör innan brott uppstår i arbetsstycket. Tabellen nedan redovisar en sammanfattning av grafiska uträkningar (bilaga 7) baserade på fyra olika tjocklekar och fyra olika tidpunkter när brott uppstår. Procentsatsen anger hur stor del av plåttjockleken som skärhjulet trängt in i innan brott uppstått. Vid 100 % har skärhjulen klippt hela plåttjockleken etc. Arean anges i mm

.

Dessa olika värden på klipparean kommer att generera olika klippkrafter beroende på vilket plåtband som klipps. Nedan redovisas dessa klippkrafter för 1150SM och 1650SM.

En stor skillnad i kraft noteras beroende på när brott inträffar.

Klipparea (mm

Tjocklek (mm) 100 % 40 % 30 % 20 %

2,4 10,7 5,73 4,43 3,04

3 14,95 8 6,12 4,25

3,5 18,84 10,07 7,79 5,35

3,7 20,47 10,94 8,47 5,82

Tabell 10: Klipparea beroende på godstjocklek och när brott i materialet inträffar.

Klippkraft (N): 1150SM

Tjocklek (mm) 100 % 40 % 30 % 20 %

2,4 9844 5272 4076 2797

3 13754 7360 5630 3910

3,5 17333 9264 7167 4922

3,7 18832 10065 7792 5354

Tabell 11: Klippkraft för 1150SM baserad på de olika klippareorna och när brott i materialet inträffar.

33

Klippkraft F (N): 1650SM

Tjocklek (mm) 100 % 40 % 30 % 20 %

2,4 14445 7564 5848 4013

3 19734 10560 8078 5610

3,5 24869 13292 10283 7062

3,7 27020 14441 11180 7682

Tabell 12: Klippraft för 1650SM baserad på de olika klippareorna.

Klippkraften kommer att verka på radien som hävarm. Tabellerna (13) och (14) redovisar momenten för de båda plåtbanden med avseende på krafterna i tabell (11) och (12).

Moment (Nm) 1150SM

t (mm) 100 % 40 % 30 % 20 %

2,4 738 395 306 210

3 1032 552 422 293

3,5 1300 695 538 369

3,7 1412 755 584 402

Tabell 13: Moment som krävs för att erhålla klippkraften för1150SM.

Moment (Nm) 1650SM

t (mm) 100 % 40 % 30 % 20 %

2,4 1083 567 439 301

3 1480 792 606 421

3,5 1865 997 771 530

3,7 2027 1083 839 576

Tabell 14: Moment som krävs för att erhålla klippkraften för 1650SM.

Dessa resultat visar klart och tydligt hur viktigt det är med rätt inställd spalt. Ställs spalten

in korrekt kan motorn till och med klara av att klippa 1650SM med godstjocklek på 3,7

millimeter. Borrmotorn är inte den mest kritiska punkten rent kraftmässigt även om den är

beroende på spalten. Att byta ut borrmotorn är inte högsta prioritering dock bör detta

34

alternativ ses över. Det som i dagsläget kan ses som ett problem med borren är att dess chuck slits ut och behöver bytas.

4.4 Ram

Skärhjulens axlar utsätts vardera för halva klippkraften, denna kraft vill trycka isär axlarna i motsatt riktning till varandra (figur 34).

Ramens uppgift är att hålla emot denna belastning, en töjning på någon millimeter kan ha en stor inverkan på klippförloppet.

Vid klippning av höghållfasta plåtband klarar inte ramen av dessa påfrestningar. Axlarna klarar dem, då dessa inte kröker sig eller deformeras på något annat sätt. Det som händer under klipprocessen när ramen töjs ut är att skärhjulen hoppar upp på plåten istället för att klippa. Detta innebär att skärhjulen pressas mot plåtbandet och nyps fast, en demontering av rullsaxen krävs för att få lös den.

För att på ett mer noggrant sätt analysera ramen och hur krafterna

påverkar konstruktionen modellerades ramen upp i Pro/E och analyserades i Pro/M.

Ramen är tillverkad i gjutstål. Resultaten från FEM - analyserna kommer att jämföras med följande tre sorter gjutstål.

Material SIS 1305 SIS 1505 SIS 1606

Kolhalt (%) 0,18 0,3 0,6

Brottgräns (N/mm

) 450 520 570

Sträckgräns (N/mm

) 230 260 300

Elasticitetsmodul (N/mm

) 211 000 211 000 211 000

Brinellhårdhet (HB) 131-179 149-201 163-217

Densitet (kg/m

) 7800 7800 7800

Tabell 15: Materialegenskaper för gjutstål.³³

31 www.sciencedirect.com, sök på titel ”Prediction of shape aberrations due to punching, shearing and slitting” och författare “P.J Bolt”.

32 Nebes, Ernst, Produktionstekniker, arbetat och analyserat rullsaxen på SPS, (muntlig källa)

Figur 34: Påfrestning på axlarna.

35 4.4.1 3D-modellering

För att kunna analysera konstruktionen behövdes en 3D-modell av ramen skapas i Pro/E. Den befintliga rullsaxen demonterades och hela ramkonstruktionen uppmättes noggrant. Därefter modellerades konstruktionen till slutlig ram (figur 35). Kontrollmätningar gjordes fortgående för att få en så korrekt ram som möjligt.

4.4.2 Randvillkor

För att FEM-analysen ska återspegla verkligheten är det viktigt att rätt randvillkor används. En överblick över randvillkoren visas i (figur 36). Elementindelning, randvillkor, deformations- och spänningsanalyser redovisas i bilaga 9.

33 Karlebo handbok, Upplaga 14, sidan 110-111

Figur 35: Befintlig ram 3D-modellerad.

Figur 36: Krafter och randvillkor som användes under analysering av ram.

Klippkrafter som verkar på skärhjulsaxlarna

Ramen är låst i en minimal area på mittenstycket

36 4.4.3 FEM – Analyser

Ramens uttöjning undersöks i y-led och z-led (figur 37), dessa är av stor vikt för rullsaxens förmåga att klippa plåt. Töjning i y -led gör att skärhjulens position ändras i höjdled, detta leder till en försämring i klipprocessen. Töjning i z-led gör att skärhjulen vrider sig och ställer sig snett mot plåten som klipps, det leder också till en försämring i klipprocessen. Även spänningar i ramen undersöks för att en uppfattning om svaga punkter på ramen. För kompletta analyser se bilaga 9.

För att få en uppfattning om vilka deformationer och spänningar som är godtagbara i ramen simuleras klippning av 1650SM med tjockleken 3.0mm. Klippkrafterna blir då 5120N på varje skärhjulsaxel innan brott uppstår i plåten, brott uppstår efter 40 % inträngning av skärhjulen. Ett verkligt experiment utfördes med samma specifikationer utan att svårigheter med klippningen uppstod, därför antas deformationer och spänningar vara godtagbara som simuleringen visar

Godtagbar deformation i y-led vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,0 mm (figur 37).

Ramens uttöjning gör att skärhjulens position i y-led ändras totalt ca 0,43 mm i förhållande till varandra, en godtagbar elastisk deformation

Figur 37: Deformation i y-led vid klippning av 3 mm 1650SM.

37

Godtagbar deformation i z-led vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,0 mm (figur 38).

Godtagbara spänningar vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,0 mm (figur 39).

Ramens övre del ändras ca 0,7 mm i z-led, en godtagbar elastisk deformation

Ramens nedre del ändras ca 0,5 mm i z-led, motsatt riktning till övre delen, en godtagbar elastisk deformation

Spänningar upp till 65 MPa uppstår i

mittenstycket på ramen, säkerhet på 3,5 mot att materialet plasticeras (gjutstålet SIS 1305, med lägsta sträckgränsen)

Största spänningen på 4700 MPa uppstår vid fastlåsningen av ramen, en singularitet, dvs.

spänningskoncentrationer som inte uppkommer i verkligheten vilket bevisas i bilaga 9

Figur 39: Spänningskoncentrationer vid klippning av 3 mm 1650SM.

Figur 38: Deformation i z-led vid klippning av 3 mm 1650SM.

38 Extremfall 1:

Deformation i y-led vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,7 mm (figur 40).

Deformation i z-led vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,7 mm (figur 41).

Ramens uttöjning gör att skärhjulens position i y-led ändras totalt ca 0,59 mm i förhållande till varandra, en elastisk deformation som påverkar klipprocessen negativt

Ramens övre del ändras ca 0,95 mm i z-led, en elastisk deformation som påverkar klipprocessen negativt

Ramens nedre del ändras ca 0,7 mm i z-led, motsatt riktning till övre delen, en elastisk deformation som påverkar klipprocessen negativt

Figur 40: Deformation i y-led vid klippning av 3,7 mm 1650SM.

Figur 41: Deformation i z-led vid klippning av 3,7 mm 1650SM.

39

Spänningar som uppkommer vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,7 mm (figur 42).

Spänningar upp till 90 MPa uppstår i

mittenstycket på ramen, säkerhet på 2,6 mot att materialet plasticeras (gjutstålet SIS 1305, med lägsta sträckgränsen)

Största spänningen på 6430 MPa uppstår vid fastlåsningen av ramen, en singularitet, dvs.

spänningskoncentrationer som inte uppkommer i verkligheten

Figur 42: Spänningskoncentrationer vid klippning av 3,7 mm 1650SM.

40 4.5 Nötning

Plåtbanden som klipps har hög hållfasthet och hårdhet, detta innebär stora påfrestningar på gjutstålet. I klipprocessen kommer den avklippta plåten att matas bakåt, den kommer då nöta både ovansida (figur 43) och undersida (figur 44) av ramen. Nötningen är så kraftig att materialet slits bort.

Figur 43: Nötningsskada ovansida.

Området där slitningen förekommer är speciellt kritiskt. Tidigare analyser har visat att klippkraften kommer försöka att trycka isär axlarna. Det som hindrar detta är ramen och specifikt detta område som länkar ihop övre och undre delen av ramen. Då gjutgodset är tunt framtill bildas en skåra relativt snabbt. Konstruktionen blir då genast mycket känsligare för påfrestningarna på axlarna.

Figur 44: Nötningsskada undersida.

41 4.5.1 FEM - analys av nötningsskada

En nötningsskada på ramen modellerades upp och analyserades i Mechanica.

Här visas de spänningar som uppkommer vid klippning av 1650SM, tjocklek 3,7 mm med en 10 mm nötningsskada (figur 45).

Dessa spänningar kommer vid val av SIS 1305 att plasticera materialet, även de övriga gjutstålen är i farozonen. Jämförs denna spänning med samma lastfall men utan nötningsskada märks en stor skillnad.

En ökning av spänningen med 756 %. Nötningen kommer ha en stor påverkan på

konstruktionen. Observera att detta endast är ett exempel som visar att spänningarna ökar när ramen nöts ut, nötningsskadan har inget typisk utseende

Spänningar upp mot 680 MPa förekommer i nötningsskadan

Figur 45: Spänningskoncentrationer vid nötningsskada.