Felhasználási területek: szerszám gyártóknak

Fröccsöntő szerszámok sikeres feszültség-mentesítése sub-harmonikus energia alkalmazásával

Thomas E. Hebel
Bonal Technologies Inc.
Southfield, MI USA

A szerszám külső megjelenésének szépsége nem mindig érvényes az egész szerszámra. A szerszám minősége legtöbbször a felszín mögött húzódik. Tény azonban, hogy a minőség, ami magában a teljesítményben mutatkozik meg nagy különbségeket mutat két, feltételezhetően azonos módon készített szerszám között is. A minőség hatással van a szerszám stabilitására, a formázó felület hosszú távú egyenletességére és a szerszám, repedésekkel szemben tanúsított ellenállására a használat közben.
AZ ELLENTMONDÁSOSÁG FŐ FORRÁSA MEGHATÁROZOTT
A szerszám minőségére számos tényező hat, úgymint: a kémiai összetétel, a hőkezelés, a megmunkálás sebessége, mélysége, a szerszámok élessége, és még mások. Talán a legszignifikánsabb tényező, ami hatással van a szerszám teljesítményének egyenletességére az a maradó feszültség.
A maradó feszültség egy belső nyomás az acél belsejében, ami hő-, vagy mechanikai megerőltetés következménye. A termikus feszültséget a fém alkatrészben bekövetkező éles hőmérséklet csökkenés okoz, mint pl. a hegesztés, az öntés, a meleg hengerlés, a gépi megmunkálás, a köszörülés, a szikraforgácsolás és edzés. Minél erősebb a hőmérsékletesés, annál erősebb ez a belső nyomás. A mechanikus feszültséget a szövet szerkezet szemcse felület erőszakos megváltoztatása eredményezi, mint pl. a hideg hengerlés, hajlítás és a kivágás.
A termikus feszültség három problémához vezet:

  • Vetemedés, közvetlenül a gépi megmunkálás vagy köszörülés után
  • Későbbi vetemedés
  • Korai repedések

A mechanikai feszültség könnyen kiszámítható. A mechanikai feszültséggel terhelt alkatrész torzulása és kifáradási határértéke figyelembe vehető az alkatrész tervezése során, ezért beállítható és előre tervezhető az elfogadható és várható működési teljesítmény.
Nem így van ez a termikus feszültség alatt álló alkatrészekkel. A termikus feszültséggel nehéz számolni és a mérnökök többsége nem is érti a jelenséget teljes mélységében.
A termikus feszültség ereje változhat az elhanyagolható mértéktől egészen magának az anyagnak a szilárdságáig. Ebből következően a termikus feszültség csökkentése kulcskérdéssé vált a szerszámok egyenletesen magas minőségének elérése és fenntartása érdekében.
HÁROM LEHETŐSÉG A TERMIKUS FESZÜLTSÉG KEZELÉSÉRE

  • Felejtsük el és szenvedjünk a következményektől. A következmények olyan dolgokat is magukba foglalnak, mint a nagyobb készletek leselejtezése, több vágás a felületen teljes mélységben, magasabb hulladék arány, egyre gyakoribb és extenzívebb javítások és a szerszám idő előtti cseréje. Ez a megközelítés nagyon kockázatos, mivel több gépidő lekötését igényelheti, extra költségekkel jár, alapanyag veszteségeket okoz, és kiváltja a vevő elégedetlenségét.
  • Ha lehetséges minimalizálni bármilyen hősokkot az alapanyagban. Ellenőrizni a gyártás minden szakaszát lépésről lépésre. Ha bárhol fellép egy éles hőmérséklet csökkenés, elő kell írni egy lassított hűtési arányt, kivéve ha a hűtési arány ilyen csökkentése szükséges a mechanikai tulajdonságok javítása miatt. Például, ha egy szerszám acél testet a padlóra helyezünk hűlni, előírás, hogy a padlótól ha csak kicsit is, de szigeteljük el. Még talán ennél is jobb a hűtési időre letakarni egy szigetelő takaróval.
  • A szerszám blokk feszültség mentesítése számos, egymástól eltérő módszer alaklazásával. A termikus feszültség csökkenthető termikus vagy mechanikus úton.(2) Korábban általánosan elterjedt módszer volt a hő alkalmazása. Mindamellett, hogy a hőkezeléses feszültség mentesítés hatékony, több hátránya is van, úgymint: az időráfordítás, a költségek, a vetemedések, a felület oxidálódása, a mechanikai tulajdonságok változása, és méret- és súly korlátok. Más feszültség mentesítési eljárások nem terjedtek el igazán, érthető okok miatt. A természetes öregítésnek igen nagy az időigénye. A cyrogenikus eljárás nagyon költséges és korlátozott méretekhez kötött. A nyújtás és összenyomás egyszerű formákat igényel. És végül a vibráció, amit nem korlátoz a fenti feltételek egyike sem. Az ipar befogadta, helyenként nagyon barátságosan, helyenként szkeptikusan és tartózkodóan.

Figyelmeztetés: Amint a hő is több különböző energia szinten különböző célok elérését teszi lehetővé, a vibrációs energia is változtatható, befolyásolva ezáltal a folyamat hatékonyságát és kiegyensúlyozottságát.

A SUB-HARMONIKUS ALTERNATÍVA

Amit idő- és költség megtakarításban, vagy minőség fejlesztésben a vibrációs feszültség mentesítés nyújtani tud a szerszámgyártó ipar számára, óriási, de csak akkor sikeres, ha a folyamat következetesen lett végrehajtva. A fémiparban alkalmazott, és következetesen sikeres eredményeket mutató vibrációs feszültség mentesítő eljárást, sub-harmonikus technológiának nevezzük.
A sub-harmonikus vibrációs technológiát a BONAL Technologies cég fejlesztette ki a saját gépgyártó üzeméből, miután egy korábbi, rezonáns vibrációs megközelítést alkalmazott, és az ellentmondásos eredményeket mutatott a tapasztalatok szerint.
Az eljárást, amit gyakran Meta-Lax-nak is neveznek, a termikus feszültségmentesítést helyettesítő eljárásaként fejlesztették ki. Az eljárás sikerének kritériuma az volt, hogy a sub-harmonikusan kezelt alkatrészek teljesítménye elérje vagy meghaladja a hővel feszültségmentesített hasonló alkatrészek teljesítményét.
Miután felfedezték a kulcsfontosságú törvényszerűséget, a vibrációs energia alkalmazásával sikeres feszültség mentesítési eredményeket értek el. A vibráció felhasználásának korábbi teóriáját elvetették és kifejlesztettek egy új folyamatot.
A sub-harmonikus feszültség-mentesítésnek két alapelve van:

  • Feszültségmentesítő frekvenciaként sub-harmonikus energiát kell alkalmazni, és
  • A termikus feszültség alatt álló alkatrész harmonikus (rezonancia) görbéje eltolódik, és stabilizálódik egy új frekvencián, miután a hegesztett munkadarabban relaxálódik a termikus feszültség.

1. sz. szabály: SUB-HARMONIKUS ZÓNA

A fém alkatrészek indukált energia hatására harmonikus (rezonáns) reakciókat mutatnak (2. sz. ábra). Harmonikus (rezonancia) görbe akkor keletkezik, ha a gerjesztett alkatrész nem képes elnyelni több energiát az induktortól, és válaszként az arányostól eltérő amplitúdó elmozdulás következik be.

A Bonal felfedezte, hogy az az optimális frekvencia, ami megfelelő vibrációs energiát biztosít a feszültségmentesítéshez, a harmonikus (rezonancia) görbe kezdetén és közvetlen környékén van. A harmonikus (rezonancia) görbe világosan meghatározza a sub-harmonikus zónát. A sub-harmonikus zóna a harmonikus (rezonancia) görbe első alsó 1/3 része az alacsony keménységű fémek, és 1/3-1/2 része a nagy keménységű és különleges fémek esetében.
1987-ben Richard Skinner, PE, a Lockheed Missiles and Aerospace-től matematikailag is bebizonyította, hogy vibrációs feszültségmentesítésre a harmonikus (rezonancia) csúcsnál kicsit alacsonyabb frekvenciát kell alkalmazni (3). Skinner professzor nyolc különböző fémen igazolta az elmélet helyességét.
Figyelmeztetés: A korábbi vibrációs módszert a munkadarabon tapasztalt rezonancia-csúcs frekvencián alkalmazták, ami rendszeresen inkonzisztens, nem következetes eredményeket hozott. Amennyiben a folyamatot időben kiterjesztik, az eljárás a munkadarab sérülését okozhatja. (5)

A szerszám tömb vizsgálata után a feszültség mentesítés időtartamára a vibráció frekvenciáját a megfelelő sub-harmonikus szintre állítva, a munkadarab súly- és alapanyag tulajdonságainak függvényében, a folyamat 15-60 percig tart

2. sz. szabály: ELTOLÓDÁS ÉS STABILIZÁLÓDÁS

Minden fém alkatrész rendelkezik egy természetes harmonikus (rezonancia) csúccsal. Amennyiben az alkatrész termikus sokkhatásnak volt kitéve a megmunkálás alatt (ami a maradó feszültség oka), a rezonancia (harmonikus) csúcs egy természetellenes frekvencia helyen lesz. Sub-harmonikus vibráció alkalmazása esetén az alkatrészben semlegesítődik a hőfeszültség. Ebben az esetben a rezonancia csúcs eltolódik és stabilizálódik egy új frekvencia zónában. Ez a természetes rezonancia frekvencia.(4)
Ez elképzelhető a lehangolódott hangszer analógiáján (termikus feszültség). Miután a hangszert felhangoltuk, ismét a természetes hangokat halljuk (feszültségmentes állapot).
T.E. Wong és G.C. Johnson a University of California-Berkley professzorai 1987-ben megjelentetett cikkükben matematikai úton kimutatták, hogy a rezonancia görbe maradó feszültség miatti eltolódása, áthelyeződése, alkalmas lehet a feszültség megszűnésének igazolására (6).
Az első ellenőrzés után következő kezelést követően a munkadarabot rendszeresen ellenőrizni kell (5-15 percenként), és a sub-harmonikus frekvenciát a görbe eltolódása szerint újra be kell állítani. Miután a rezonancia görbe az új frekvencián stabilizálódott, a feszültség mentesítés megtörtént.

Hasonlóságok a sub-harmonikus és a hőkezeléses feszültség mentesítés között

Mindkét folyamat megköveteli a korrekt és pontos eljárást, hogy a sikeres feszültség-mentesítés érdekében megtaláljuk, és a kezelés alatt szinten tartsuk az optimális zónát. Ha ezen kívül esik a kezelés, akkor nem a feszültség-mentesítés eredményeit tapasztaljuk, hanem, rossz esetben, bekövetkezhet az alkatrész megrongálódása.
Mindkét folyamat a belső felgyorsított mozgáson alapozva éri el a feszültségmentes állapotot. A tény azonban, hogy valamennyi feszültség-mentesítő eljárás erre épül Úgy tűnik viszont, hogy a belső felgyorsított mozgás az egyetlen közös nevező a feszültség mentesítő eljárások között.
Mindkét folyamatnak szüksége van egy átfutási időre.
Mindkét folyamat következetesen megvalósítja a feszültség mentesítést.
A gyakorlati eredmények összehasonlítása után, mindkét eljárást sikeresnek minősítette az ipar.
Mindkét folyamatot tesztelték és megállapították, hogy azok összehasonlíthatók a U.S. Department of Energy által támogatott vizsgálat eredményei alapján.

  1. sz. táblázat: Összefoglaló adatok a DE-FG01-89CE15412 Jelentésből

 

A-36 alacsony carbon tartalmú szén acél 30 nap pihentetés után

Hegesztés után

Meta-Lax a hegesztés alatt

Meta-Lax a hegesztés után

Termikus feszültség mentesítés

Húzószilárdság
(psi)

77,250

76,450

76,750

66,750

Charpy-hegesztés
(ft-lbs)

36.3

37.2

31.7

21.5

Charpy-hőhatásnak kitett zóna HAZ
(ft-lbs)

6.4

11.2

12

14.1

 

Különbségek a sub-harmonikus és a hőkezeléses feszültség-mentesítés között

  • Költségek. A sub-harmonikus eljárás költsége tipikusan a hőkezeléses feszültség mentesítés összehasonlító költségének 5-15 %-a között alakul.
  • Idő. A sub-harmonikus eljárás idő szükséglete tipikusan nem éri el a hőkezeléses feszültségmentesítési eljárás 5 %-át. (30-60 perc a sub-harmonikus feszültség mentesítés ideje, szemben a hőkezeléses eljárás 3-5 napjával)
  • Mellékhatások. A sub-harmonikus eljárásban nem tapasztalhatók olyan mellékhatások, mint a hőkezelés során, mint pl. kezelési vetemedések, felület oxidáció, revésedés, mechanikai tulajdonság-változások, beleértve a keményedést és a lágyulást. Figyelmeztetés: Ha bármelyiket ezek közül megkövetelik, vagy elvárják a feszültség mentesítéstől, akkor a hőt kell alkalmazni.
  • Másodlagos műveletek. A sub-harmonikus eljárás után nics szükség azokra a másodlagos megmunkálási műveletekre, amiket a hőkezeléses eljárás megkövetel, mint pl.: szállítás, kezelés, tisztítás, újra megmunkálás, ellenőrzés, felügyelet, újra programozás, ütemezés.
  • Minőség biztosítás, megfelelőség. A sub-harmonikus eljárás használható gyakorlatilag bármikor két gyártási folyamat között. Ez lehetővé teszi a feszültségmentesítés alkalmazását  a befejezés előtt álló, a félkész és a készre munkált alkatrészek, sőt még az összeszerelt szerszámok esetében is, ezáltal fejlesztve és biztosítva a minőséget.
  • Tanúsítvány lehetősége. Miután a folyamat alkalmas tanúsításra, felhasználható a termikus feszültség mentesítés ellenőrzésére. Pl.: megvizsgálva a beérkező szerszámot, vagy alkatrészt, igazolható, hogy előzőleg a feszültségmentesítést elvégezték-e.

MIKOR ALKALMAZHATÓ A SUB-HARMONIKUS VIBRÁCIÓ
Tanácsos elvégezni a su-harmonikus feszültség mentesítést minden megmunkálási eljárás előtt, különösen, ha a vetemedés, vagy a repedés, javító újramunkálást igényel, esetleg fennáll a selejt veszélye. (Szabványos gyakorlat)
A beérkező szerszám blokkok, elemek. A szerszám blokkok többségét az acél szállítók már feszültség mentesítik. Ezt elvégzik akár lassú lehűtéssel, akár feszültség mentesítéssel, mivel a blokk a tömbből fűrészeléssel lett kiszabva. Emiatt a szerszámgyártók többsége nem végez semmilyen kiegészítő feszültség-mentesítést. Abban az esetben, ha rideg vetemedés elképzelhető, el kell végezni a sub-harmonikus feszültség mentesítést az előmarás előtt.
Az előmarás és a simító marás között. (vagy félkész marás) Ez a sub-harmonikus vibráció leggyakoribb alkalmazása a szerszámgyártóknál. A legtöbb szerszám blokknak elégséges ekkor elvégezni a kezelést, hogy ellenőrzött legyen a torzulás, és fenntartható legyen a szerszám egyenletes minősége a teljes élettartam alatt.
A félkész és készre marás között. A félkész marási fázis gyakran kihagyható, ha a hőkezeléses feszültségmentesítés által előidézett vetemedést a félkész állapoton kompenzálni kell. Ha figyelembe vesszük a torzulás mentes sub-harmonikus feszültség mentesítés előnyét, akkor az előmarás után a végső mérethez közelebb tudjuk marni az alkatrészt. Ellenben, ha nagyon kis tűréseket kell tartani, és szükséges a félkész állapot, akkor egy sub-harmonikus kezelés ebben a fázisban nagy mértékben csökkenti a kész- és polírozott darab vetemedését.

Durva szikraforgácsolás (huzal, vagy tömb) előtt. Azok az alkatrészek, amelyek szikraforgácsolást igényelnek a feszültség mentesítés után, átestek a köszörülésen. Még egy marginális termikus feszültség is okozhat vetemedést vagy repedést a blokkban, netán a huzal elcsípődését. Sub-harmonikus feszültség mentesítés alkalmazása ebben a szakaszban minimalizálja, ha nem teljesen megszünteti ezt a problémát.
A vevőhöz történő kiszállítás előtt. A szerszámot összeszerelt állapotban, még a kiszállítás előtt, sub-harmonikus feszültség-mentesítéssel kezelik. Ez egy minőségi biztosítás a vevő számára.
Hegesztés során. A szerszám javítása, vagy módosítása esetén alkalmazzunk sub-harmonikus vibrációt a hegesztés során. (hegesztés kondicionálás) Ez, általánosságban, egy finomabb hegesztési szemcseméret-struktúrát eredményez, és lehetővé teszi, hogy a hegesztő alacsonyabb áramerősséget használjon. Végülis a sub-harmonikus hegesztés kondicionálás eredményeként csökken a hegesztés közbeni vetemedés és a repedési hajlam.
ÖSSZEFOGLALÁS
A szerszámok számára fontos a feszültség mentesítés annak érdekében, hogy használatuk során biztosíthassuk a következetes minőségét, miután igazoltan csökkent a gépi vetemedés, hosszútávon stabilabb a formatartás és csökkentek a korai repedések. A sub-harmonikus vibrációs eljárás tudományosan is igazolást nyert és ugyancsak bizonyított az üzemi alkalmazások során, mint egy - de különösen a hőkezeléses eljárással egyenértékű - alternatív feszültség mentesítési eljárás. Ez az alkalmazás, a korábbi vibrációs feszültségmentesítő technikák továbbfejlesztett változata. Ráadásul a sub-harmonikus eljárás hegesztés közben is alkalmazható, miáltal csökken a hegesztésből eredő vetemedés és repedezés.

 

Szakirodalmi hivatkozások

  • Lawrence Van Vlack, "Elements of materials Science",2nd Edition, Addison-Wesley,1967, p407.
  • Leonard P. Connor, "Welding handbook", Welding Technology, 8th Edition, AWS, 1989, p219.
  • Richard Skinner, PE, "An Investigation into theTheory Behind Sub-resonant Stress Relief," 1987, p10.
  • SEMA, "Meta-Lax Sterss Relief Process," Tech Brief – DE – AC0191CE10566, U.S. Dept. Of Energy, March 1995.
  • The Welding Institute, 1981, p42.
  • T.E. Wong&G.C. Johnson, "Ultrasonic Evaluation of the Nonlinearity of Metals from a Design Perspective," 1987, p15.

 

KÉPALÁÍRÁSOK (a képeket lásd az angol eredeti cikkben)

  • Kép. A Minko Tool and Mold, Dayton, OH, cég szállítási politikája: "időben minden időben". A sub-harmonikus feszültség mentesítés fontos része ennek a kötelezettség vállalásnak, miután a feszültségmentesítésre fordítható időt 2 óra időtartamra korlátozták. Ennek hatására jelentős költséget takarítottak meg a hőkezeléses feszültségmentesítéshez kapcsolódó többlet kiadásokból, és meg tudták tartani magas színvonalú minőségi normájukat.
  • Kép. A Build-A-Mold, Ontario, Canada, cég 1986 óta alkalmazza a sub-harmonikus vibrációs feszültség mentesítést. Megállapították, hogy a gyártási folyamatuk egyenletesebbé vált és vevőik visszajelzése szerint a szerszámok használati élettartama esetenként a duplájára nőtt.
  • Ábra. A vibrációt alkalmazó feszültség mentesítéshez az optimális érték a sub-harmonikus zónában helyezkedik el
  • Ábra. A termikus feszültséggel rendelkező alkatrész rezonancia (harmonikus) görbéje a természetes pozíciójától eltérő, azon kívül eső zónában található. Sub-harmonikus vibráció alkalmazása után a görbe eltolódik, és stabilizálódik a természetes frekvenciájához tartozó pozíciójában, jelezve, hogy a feszültség mentesítés megtörtént.
  • Kép. A Beiter Moldmaking, Németország, cég a sub-harmonikus feszültség mentesítés alkalmazását minőség fejlesztésre használják autóipari specialitásukon, a tükör polírozott felületű, autó első lámpa-ház szerszámukon. Enélkül az eljárás nélkül gyakran jelentkeztek repedések a szerszám legkritikusabb helyein. Amióta 3 éve elkezdték a sub-harmonikus energia alkalmazását nem tapasztaltak repedéseket.
  • Kép. A Hydro-Cam and Engineering, Troy, MI, cégnél megszüntették az 56%-os selejtet az egyedi tervezésű karbid előforma kivágó szerszámok gyártása során. A megoldás kulcsa a vibrációs kezelésnek, közvetlenül a huzal szikraforgácsolás előtti alkalmazása volt. Ez most már egy törvény náluk. A sub-harmonijus eljárás jelentős költség megtakarítást eredményezett a vevőjük számára.
  • Kép. A hagyományos hegesztési varrat fotomikrográfos képe oszlopos szövet szerkezetet mutat.
  • Kép. A hegesztés során alkalmazott sub-harmonikus vibráció finom, egységes szemcseméretet mutat, ami metallurgiailag szinte mindig szükséges a repedés-ellenállóság eléréséhez.
  • Kép. A Modern Tooling Systems, Toledo, OH, cég vevője pozitív benyomásokat szerzett, amikor a 25,000 lb súlyú, P20 jet ski fröccs-szerszámukat 80 órán keresztül hegesztették mindenféle repedés jelentkezése nélkül. A kulcs a sub-harmonikus feszültség mentesítés, hegesztés közbeni alkalmazása volt. Enélkül 15 percenként megrepedt az anyag.

Kiderült, hogy az átfogó mérnöki változtatás nem is olyan nagydolog.