Tillverkningsmetoder

Metaller

Tillverkning av komponenter i metalliska material kräver vanligtvis en sekvens av flera processer både för att skapa önskad form på komponenten och för att materialet skall få erforderliga egenskaper. Produktutformningen och valet av material i kombination med processekvensen är helt avgörande för kostnaden. Genom att välja material i rätt kvalitet och dimension kan ofta en eller flera processer elimineras.

En komponent som tillverkas i ett dyrt rosthärdigt material kan totalt sett bli billigare än om den tillverkas i ett enklare material som kräver ett dyrt korrosionsskydd och underhåll. Ibland kan det vara fördelaktigt att välja ett enkelt material som är lätt att bearbeta med skärande verktyg och som därefter härdas till önskad hårdhet istället för att välja ett hållfastare material som man slipper härda, men som istället blir dyrt att bearbeta. Om toleranskraven är mycket höga kanske man ändå måste välja den senare sekvensen på grund av risken för formändringar vid härdningen. Exemplen är många på hur man kan uppnå samma funktionalitet men till olika kostnad genom olika kombinationer av material och tillverkningsprocesser.

En av grundreglerna för ekonomisk tillverkning är att i så stor utsträckning som möjligt använda standardiserade sorter och dimensioner av plåt, rör- och stångprofiler. Seriestorleken är dock en viktig faktor. Vid tillräckligt stora kvantiteter kan det vara motiverat att bekosta dyra verktyg för gjutning eller smidning genom att man får ett större materialutnyttjande och mindre kostnader för efterbearbetning och fogning.

I denna bild ges en översikt över tillverkningsmetoder för komponenter i metalliska material.

Man skiljer mellan formgivande, icke formändrande och sammanfogande processer. Bland de formgivande processerna skiljer man på primär- och sekundärprocesser. Till primärprocesserna hör gjutning, plastisk formning och skärande bearbetning. I primärprocessen skapas den huvudsakliga geometrin och en stor del av feturerna t ex tappar, försänkningar och vårtor.

I sekundärprocessen skapas resterande feturer t ex gängor och hål.

Klicka för att få en klickbar förstoring!

Översikt över tillverkningsmetoder för metalliska material.

Även om man i vissa plastiska bearbetnings- och pulvermetallurgiska processer kan forma komponenter med relativt komplex geometri till nära slutlig form måste man räkna med att funktionsytor nästan alltid kräver någon form av bearbetning i en sekundärprocess såsom planing, slipning, gängning etc.

Förutom de formgivande processerna behöver man ofta både värme- och ytbehandla produkten för att erhålla önskade egenskaper. Detta görs i tertiärprocesserna.

Varje process i en tillverkningssekvens ställer krav på materialegenskaperna såsom bearbetbarhet, skärbarhet, härdbarhet och svetsbarhet. Till skillnad från t ex plaster kan dessa tillverkningskrav för metaller vara av lika stor betydelse som kravprofilen för produkten. Det innebär att val av tillverkningssekvenser och material sällan kan göras oberoende av varandra.

Processerna i denna bild är närmare beskrivna här.

Gjutbarhet

Denna tabell [Svensson, 90] ger en översikt över olika gjutmetoders lämplighet för olika legeringar.
Klicka för att få en klickbar förstoring!
gjutlegering gjutjärn gråjärn segjärn aducerjärn vitjärn gjutstål olegerat låglegerat höglegerat manganstål rostfritt värmebeständigt stål tungmetaller mässing brons rödmetall zinklegeringar lättmetaller aluminiumlegeringar magnesiumlegeringar titan gjutmetod engångsform permanent form maskinformning skalformning handformning vakuumformning fullformsgjutning gipsform vaxursmältningsmetod shaw unicast statisk kokillgjutning lågtrycksgjutning varmkammarpressgjutning kallkammarpressgjutning centrifugalgjutning stränggjutning

En legerings smälttemperatur är vanligtvis en bra indikator på gjutbarheten. Låg smälttemperatur innebär ofta lägre kostnader tack vare längre verktygslivslängd och högre produktionstakt. I denna tabell är angivet ungefärliga gjuttemperaturer för några olika legeringar.

Legering Gjuttemperatur [°C]
Tenn ungefär 300
Bly ungefär 345
Zinklegeringar 345 - 455
Aluminiumlegeringar 620 - 735
Magnesiumlegeringar 620 - 735
Kopparbaslegeringar 900 - 1 180
Gjutjärn: grå- och segjärn 1 340 - 1 480
Varmhållfasta nickellegeringar 1 370 - 1 540
Höglegerade stål 1 480 - 1 600
Varmhållfasta järnlegeringar 1 540 - 1 650
Kol- och låglegerade stål 1 565 - 1 700
Titanlegeringar 1 700 - 1 820
Zirkoniumlegeringar 1 845 - 1 900

Smidbarhet

Med smidbarhet menas ett materials förmåga att tåla stora deformationer utan att sprickor eller andra defekter uppstår. I denna tabell [Sabroff mfl, 68, Poli, 85] är olika legeringar rangordnade efter relativ smidbarhet. God smidbarhet innebär att mera komplexa geometrier, med tunnare sektioner, mindre släppningsvinklar och mindre kant- och kälradier, är möjliga att smidas. Smidbarhet skall inte förväxlas med materialets motstånd mot deformation som är kopplad till flytspänning, friktion, deformationshastighet m m och som har betydelse för hur stora presskrafter som erfordras. I tabellens högra kolumn är angivet ungefärlig erforderlig presskraft per ytenhet (ton/cm2). Ytan beräknas som den projicerade arean av smidesämnet i delningsplanet. Denna materialfaktor förutsätter ett smide med relativt enkel geometri. Vid komplexa former ökar faktorn.

Smidbarhet (efter ökande svårighetsgrad)

Erforderlig presskraft [ton/cm2]
Aluminiumlegeringar 2,1 - 3,4
Magnesiumlegeringar 2,5
Koppar och kopparlegeringar 2,5
Konstruktionsstål 2,5 - 3,8
Ferritiskt rostfritt stål 4,3
Martensitiskt rostfritt stål 4,3
Verktygsstål 4,3
Maråldringsstål 4,3
Austenitiskt rostfritt stål 5,1
Nickellegeringar 5,1
Ferrit-austenitiska stål 5,5
Titan och titanlegeringar 6,4 - 7,6
Varmhållfasta järnlegeringar 5,9
Koboltbaserade legeringar 7,6
Nioblegeringar 7,6
Tantallegeringar 4,8
Molybdenlegeringar 8,4
Varmhållfasta nickellegeringar 8,6
Volframlegeringar 10,1
Beryllium 2,5

Skärbarhet

Olika materials lämplighet för skärande bearbetning anges med skärbarhetsindex. Med hjälp av detta kan erforderlig effekt för att avverka en viss volym material uppskattas. Alternativt kan avverkningsvolymen beräknas vid en viss tillgänglig effekt. Skärbarhetsindex innefattar inte andra faktorer som också har betydelse för skärbarheten såsom verktygsslitage, spånbildning och ytbeskaffenhet.

Skärbarhetsindex 1 = 20 cm3/min/kW.

I denna bild är skärbarhetsindex angivna för olika metallegeringar.
Klicka för att få en klickbar förstoring!
kobolt nickel rostfritt stål titan seghärdningsstål maskinstål sätthärdningsstål automatstål gjutjärn mässing zink zinc aluminium legering magnesium

Skärbarhetsindex för olika legeringar [Metals Handbook, 9:16; Bralla,86].

Polymerer

Väl produktionsanpassade plastkomponenter kan ofta tillverkas till slutlig form i en enda formningsprocess med små krav på efterbearbetning. De kan ha hög grad av komplexitet med många integrerade funktioner. Feturer såsom gängor, hål och snäppen för fogning samt önskad ytstruktur kan ofta skapas redan i primärprocessen, liksom inläggningar av detaljer i annat material, t ex förstärkningar och fästelement i metall. I vissa processer kan olika plastmaterial sammanfogas under formningen. Många plastsorter kan pigmenteras så att produkten erhåller önskad färg utan separat ytbehandling.

Egenskaper och feturer som inte går att skapa i primärprocessen kan man skapa i en sekvens av efterföljande sekundära formningsprocesser samt genom olika ytbehandlings- och fogningsmetoder.

En del komponenter tillverkas enklast och billigast direkt i sekundärprocesser genom t ex skärande bearbetning av standardiserade plastämnen i form av skivor, rör och profiler.

Termoelaster formas ofta direkt till slutlig form med i huvudsak samma metoder som primärprocesserna för termoplaster. Vid formning av gummi krävs en vulkningsprocess.

En översikt över processer för tillverkning av produkter i polymera material ges här.

Processerna är närmare beskrivna här.
Klicka för att få en klickbar förstoring!
tillverkningsmetoder polymerer formgivande processer primär termoplast termoelast formsprutning strängsprutning formblåsning rotationsgjutning varmformning härdplast formpressning sprutpressning integralcellplasttillverkning profildragning handuppläggning sprutning säckpressning lindning gummi formsprutning strängsprutning byggning FFF laserhärdningsmetoden laminatmetoden spritsmetoden sasersintringsmetoden sikthärdningsmetoden sekundär sågning borrning gängning fräsning svarvning icke formändrande värmebehandling spänningsutjämnande uppvärmning ytbhandling lackering metallisering sammanfogande processer fasta förband svetsning limning lösbara löstagbara skruv snäpp

Översikt över tillverkningsmetoder för polymera material

Keramer

Keramiska produkter tillverkas genom att först forma en pulverråvara till en kompakterad s k grönkropp. I en efterföljande värmebehandling (sintring) sker en densifiering där de slutliga egenskaperna erhålls. Slutlig form erhålls normalt i en sekundär formningsprocess.

För primärformningen finns ett stort antal formnings- och sintringsmetoder. I denna bild ges en översikt över de vanligaste processerna inklusive metoder för bearbetning, ytbehandling och fogning. Här ges en närmare beskrivning av några av de vanligaste metoderna.

Produkter i glas tillverkas av upphettad, viskös smälta. Formningen sker genom pressgjutning, blåsning, dragning eller valsning.

Glaskeramer framställs av glas som efter formningen upphettas till kristallisation.
Klicka för att få en förstoring! ttillverkningsmetod keram formgivande process icke formändrande sammanfogande primär sekundär värmebehandling ytbehandling fast förband lösbar ormning grönbearbetning sintring bearbetning limning lödning diffusionsbindning pressning enaxlig isostatisk gjutning slamgjutning tejpgjutning vakuumgjutning infiltrering smältgjutning plastisk formning extrudering informning valsning formsprutning blåsning dragning glas

Översikt över tillverkningsmetoder för keramiska material.

Mera information hittar du hos Swerea IVF.

Sammanfogande metoder

Svetsning

Svetsbarhet

Alla stål kan svetsas om de riktiga metallurgiska betingelserna för processen är uppfyllda. Dessa kan emellertid vara så komplicerade att de verkstadsmässigt inte är praktiskt genomförbara eller innebär höga produktionskostnader. Vid val av material som skall svetsas bör man därför beakta svetsbarheten.

Svetsbarhetsbegreppet är komplext och svårdefinierat men enkelt uttryckt avses stålets förmåga att uthärda den termiska chockverkan som svetsprocessen innebär. Man skiljer på stål som är väl svetsbart och begränsat svetsbart [Norén, 62].

Med ett väl svetsbart stål menas att materialet kan svetsas under normala betingelser utan att svetsprocessen ger allvarligt nedsatta egenskaper i materialet. Svetsning under normala betingelser innebär att ingen förhöjd arbetstemperatur eller efterföljande värmebehandling krävs.

Om en normal svetsprocess leder till egenskapsförändringar i materialet eller materialfel i form av t ex sprickor så att materialets förmåga blir allvarligt nedsatt måste särskilda åtgärder vidtagas, före, under och/eller efter svetsningen för att få tillfredsställande egenskaper. Ett sådant material klassificeras som begränsat svetsbart.

Till väl svetsbara stål hör:

Materialdimensionen har betydelse för svetsbarheten. Härvid gäller följande för att svetsning skall kunna utföras under normala svetsbetingelser:

  • lågkolhaltiga olegerade stål enligt ovan kan svetsas upp till godstjocklekar på 40-60 mm, ju lägre kolhalt desto större godstjocklek
  • lågkolhaltiga låglegerade stål enligt ovan har en dimensionsgräns vid 10 - 25 mm
  • austenitiska rostfria stål är i stort sett dimensionsoberoende inom vida gränser.

Begränsat svetsbara är alla övriga stål. Den begränsade svetsbarheten kräver olika grader av åtgärder vid svetsningens utförande. Bland de allmänna konstruktionsstålen är olegerade material upp till 0,35 % kol fullt svetsbara vid en arbetstemperatur på 200-300 °C. Låglegerade stål såsom vissa seghärdningsstål kräver i regel en efterföljande värmebehandling. Detta gäller också olegerade stål med kolhalt över 0,35 %. Värmebehandling fordrar även de lågkolhaltiga s k 13 Cr-stålen liksom vissa högkromhaltiga ferritiska rostfria stål. Verktygsstål kräver speciella svetsmetallurgiska betingelser och processer.

Även väl svetsbara material kan värmebehandlas. Exempelvis avspänningsglödgas många svetsade konstruktioner för att förhöja svetsförbandens bärförmåga vid utmattningslast.

 

Limning

Sökverktyget för limning finns här
Definition av limning

Definitionsmässigt innebär limning att man med ett tredje material, limmet, binder samman två komponenter. Sammanhållningen sker genom kohesion (inre sammanhållning) och/eller adhesion (attraktion i beröringsytan).

Om man söker i ordlista eller ASTM-standard får man följande förklaring och definition av ordet limning

Ordlista

”Bindemedel som sammanfogar fasta material genom att övergå från flytande till fast form”

”A substance used for sticking things together”

ASTM

”Adhesion is the state in which two surfaces are held together by interfacial forces of attraction, owing to the interactions of molecules, atoms and ions in the two surfaces”

 

Om man skall förklara vad ett strukturlim är, så finns detta ännu ej upptaget i ordlista eller ASTM-norm. Det ligger mycket egna värderingar i detta, vilket det också gör i många andra ord, jämför t ex ”engineering plastics”. Några exempel på vad strukturlimning kan innebära är följande

 

”Materials connecting two substrates which are able to transmit significant complex forces over long periods of time”

”Lim för konstruktionsändamål, varvid fogarna avses kunna tåla belastningar av större art”

Tätning 

Tjock limfog
Flexibel

Lim 

Medium/tunn limfog
Flexibel eller styv

Strukturlim

Tunn limfog
Styv eller ev seghetsmodifierad

 

Strukturlimning avser ett förband som inte enbart ger vidhäftning och fixering utan också överför väsentlig last och överensstämmer i stort sett med förslagen nedan. Dock kan strukturlimning erhållas även med en tjockare limfog. Främst härdande limtyper behandlas.

Adhesion och vidhäftning

Adhesion är en naturkraft. Denna kraft verkar mellan två molekyler som kommer tillräckligt nära varandra. Adhesion gör t ex att färgen hålls kvar på en målad yta, men att tåget inte fastnar på rälsen. För att foga samman två delar spelar det ingen roll hur nära man lägger dem till varandra, räckvidden hos adhesionskraften är för kort. 5 Å = 5 x 10-10 m är vad som krävs för att få fogning utan lim. Flampolerat glas lär vara den slätaste ytan man känner till. Dess profildjup är 200 Å.

Med detta förstår man att det är svårt att få ett förband till stånd utan att tillföra ett tredje material, lim-met. När limmet flyter ut kan man komma närmare än 5 Å. Förutom att uppfylla avståndet måste också limmet sprida sig och väta ytan. Adhesionen mellan lim och limmad yta måste dessutom vara större än kohesionen i limmet.

Ännu vet man inte varför limmet ger vidhäftning. Det har under åren uppstått en rad teorier.

Mekanisk adhesion innebär att limmet tränger in i håligheter och porer och mekaniskt förankras i materialet. bilderna nedan visas ytorna av tre keramiska material.

SiO2
Al2O3
MgO

Test med imidlim visar att fogarna i SiO2 och Al2O3 är två till tre gånger starkare än MgO, [3]. Brottet sker för MgO i form av adhesionsbrott i ytan mellan lim och MgO medan SiO2 och Al2O3 limmade ytor uppvisar kohesivt brott i limmet.

Mekanisk adhesion kan förklara varför t ex limning mot trä fungerar bra. Detta förklarar dock inte varför limning mot metall, plast och keramer fungerar. Man får då gå över till att studera adhesionsteorier för specifik adhesion. Den teori som är framlagd senast, (1963), heter termodynamisk adsorptionsteori och är den man främst använder sig av. Här gäller en s k ytspänningsskala, se bilden. Ett material har en viss ytspänning oavsett om det är i flytande eller i fast form. På en skala med ytor ordnade efter fallande ytspänning väter teoretiskt ett flytande ämne (limmet) alla ovanstående fasta ämnen. Flytande polyeten limmar epoxiplast medan epoxilim har svårt att väta en polyetenyta. Detta förklarar också varför ett frimärke fäster bra på ett papperskuvert men mindre bra på en plastyta. Det gäller alltså att veta vilket av materialen som måste vara flytande när de förs i kontakt med varandra. epox

Mycket mera om lim:   Limtyper    Limformer