Särmäyksen tehostaminen suunnittelu huomioiden : teknisten epäkohtien havaitseminen

Abstract

Opinnäytetyössä selvitetään ohutlevytuotteiden särmäyksen tehostamista suunnittelu huomioiden. Työssä tarkastellaan tietokoneavusteista suunnittelua, särmäyksessä käytettäviä yleisimpiä ohutlevymateriaaleja sekä särmäystä valmistusmenetelmänä. Työssä syvennytään siihen, miten särmääminen voidaan ottaa suunnittelussa huomioon sekä miten särmäystä voidaan tehostaa muita menetelmiä hyödyntäen.

Tietokoneavusteista suunnittelua tarkastellaan tuotesuunnittelun, parametrisen piirremallinnuksen, tuotetietojen hallinnan ja attribuuttitietojen näkökulmasta.

Ohutlevykappaleen mallintamisen keskeiset piirteet esitetään SolidWorks 3D CAD -suunnitteluohjelmiston näkökulmasta. Särmäyksessä käytettäviä yleisimpiä materiaaleja selvitetään tarkemmin teknisestä näkökulmasta. Tämän tarkoituksena on antaa riittävää tietoa oikean materiaalin valintaan. Yleisimpiä käytössä olevia materiaaleja ovat kylmävalssatut ja kuumavalssatut ohutlevyteräkset, metallipinnoitetut ohutlevyteräkset, ruostumattomat teräkset, muokattavat alumiiniseokset, erilaiset verkkolevyt ja tinatut teräslevyt eli läkkilevyt. Kupari ja erilaiset kupariseokset, kuten messinki ja tinapronssi ovat myös paljon käytettyjä materiaaleja särmäyksessä. Myös erilaisia muovimateriaaleja, kuten polykarbonaattia käytetään usein särmäyksessä.

Särmäystä selvitetään yleisesti valmistusmenetelmänä periaatteen ja menetelmien osalta, lisäksi tutkitaan särmäyspuristimen käyttäytymistä taivutuksen aikana. Särmäystä syvennytään selvittämään materiaalin käyttäytymisen näkökulmasta, eli selvitetään neutraaliakselin sijaintia ja siirtymää taivutuksen aikana sekä miten takaisinjousto olisi huomioitava, jotta saavutetaan onnistunut taivutus. Valmistusmenetelmässä keskitytään tarkemmin selvittämään myös oikaistun pituuden laskemista, taivutussädettä ja sitä, millaisilla laskennallisilla kaavoilla taivutuksen vähenemä voidaan saada laskettua. Työssä esitetään laskennallisia esimerkkejä K-factorin, Bend Deductionin ja Bend Allowancen selvittämiseksi. Myös särmäyksessä tarvittavan voiman laskemiseen esitetään tarvittava kaava ja esimerkkilaskelma sekä selvitetään ratkaisuja, miten vastimen V –ura voidaan valita vapaataivutukseen. Työssä esitetään taulukoita ja menetelmiä, joilla voidaan nopeasti arvioida taivutusvoiman tarvetta, saada tietoon taivutuksen vähennykset, K-factor sekä millaisella taivutussäteellä ja V –uralla särmäys voidaan suorittaa.

Opinnäytetyössä syvennytään tarkastelemaan sitä, millaisilla menetelmillä ja toimilla suunnittelussa voidaan huomioida särmäys valmistusmenetelmänä. Tarkastelua tehdään valmistettavuuden, eli DFM –menetelmän näkökulmasta, eli keskitytään tarkastelemaan särmäyksen aiheuttamia rajoitteita levyosan suunnittelussa. Selvityksessä huomioidaan myös valmistuskustannukset, joihin vaikuttavat muun muassa levyosan laatuvaatimukset, materiaalit, särmäysvaiheet, suunnittelijan asiantuntemuksen taso tehokkaasta valmistettavuudesta, kustannusajattelusta sekä särmäyksestä valmistusmenetelmänä. Työssä esitetään myös yleisiä suunnittelussa tapahtuvia virheitä, joiden katsotaan lisäävän valmistusaikaa ja kustannuksia tuotannossa.

Opinnäytetyössä syvennytään viimeiseksi selvittämään erilaisia menetelmiä särmäyksen tehostamiseksi. Työssä tarkastellaan robotiikan hyödyntämistä joko robottijärjestelmänä tai robottisärmäyssoluna. Käsikäyttöisen särmäyksen tehostamista tarkastellaan erilaisten erikoistyökalujen, AFH –työkalujen, työkalujen teräpitimien, työ- ja mittavälineiden, LEAN –työkalujen, henkilöstön koulutuksen ja ammattitaidon sekä särmäystyökalujen säilytyksen ja huollon näkökulmasta. Lisäksi selvitetään uusien särmäyskoneiden hankintaa osana tehostamista. Särmäyksen tehostamisen menetelminä esitetään valmistusaikalaskelmia kolmen eri tuotteen särmäämisestä käsikäyttöisenä ja robottisärmäyssolun tekemänä. Laskelmien on tarkoitus havainnollistaa robottisärmäyssolun tehokkuutta perinteiseen käsikäyttöiseen särmäykseen nähden. Laskennallista selvitystä tehdään myös yhdelle erikoistyökalulle. Selvityksen tarkoituksena on osoittaa erikoistyökalun käytön kustannustehokkuus ja läpimenoajan lyheneminen särmäyksessä. Menetelmissä osoitetaan myös työkalujen asennuksen tehokkuus, kun käytössä ovat pikakiinnitykseen tarkoitetut teräpitimet.

Lopuksi opinnäytetyössä pohditaan havaittuja tuloksia ja niiden vaikutuksia särmäykseen.

This thesis studies how bending as a manufacturing process can be enhanced in the view of technical designing. The thesis addresses computer-aided-design (CAD), the most common sheet metal materials that are used in bending, and the actual bending as a manufacturing process. The report explores methods of how bending could be taken into account in mechanical designing and which kind of other methods in bending process could be more efficient to get better results.

Computer aided designing is viewed in the perspective of product design, parametric feature modeling, managing product information and attribute information. The key features of sheet metal modeling are viewed in the perspective of SolidWorks 3D CAD –design program.

The most common materials used in bending are being inspected closer from a technical view. This is done to give enough information for choosing correct materials. The most common used materials are cold rolled- and hot rolled sheet metal steels, metal coated steels, stainless steels, alloys, different types of net sheets and tin coated steel sheets, known as tin plate. Copper and different copper mixtures, like brass and tin bronze are also commonly used materials in bending. Different plastic materials, such as polycarbonate, are also commonly used.

Bending is examined in the views of principles and methods as a production process, and also how bending machines behave during bending process. The examination dwells deeper in the materials and how they behave during bending process by studying how the neutral axis location moves during bending and how to take springback in consideration to make quality parts by bending. Also, the measurements of a part before bending and bending radius are studied further by showing mathematical formulas that can be used to find out the reduction of material during bending. Mathematical examples how to find out K-factor, bend deduction and bend allowance are included, as is a formula and example for calculating the needed force for bending. For quick evaluation of needed force, a chart is included with examples of methods of how to evaluate bend deduction and K-factor, and what size of V-die and bend radius are needed to complete the bend.

The thesis examines different methods and ways to take bending process into account during designing process. The examination is done in the angle of DFM –method, focusing on the limitations that bending process causes in designing sheet metal parts. The investigation takes also into consideration the production costs, that are affected by the quality requirements, materials, bending steps and the designers expertise of efficient productivity of sheet metal parts, designers ability to take cost efficiency into account and designers knowledge of bending process. The thesis also reviews common flaws in designing sheet metal parts that are considered to lengthen the production time and make the production less cost efficient. In the later chapters the thesis studies deeper, different methods and processes to enhance the efficiency of bending. One of these is taking the advantage of robotics, either as a robotic system or robotic bending unit. Enhancing the efficiency of manual bending by using different types of special tools, like AFH –tools, different tool holders, measuring devices, LEAN –tools and by education of employees, tool preservation machine maintenance is also inspected. As a part of studying the enhancing of the efficiency, calculations for purchasing modern bending machines to replace older ones are also shown. Also, calculations of producing three different parts with both manual bending and robotic bending unit are included to demonstrate the efficiency of using robotics compared to traditional manual bending. Calculations of the efficiency of using a one special bending tool are also included in the thesis. This is to point out the cost efficiency of using special tools and shortening of the time the process takes. In the methods section is included the tool setup efficiency when using quick gripping tool holders. In conclusion, the thesis considers the found results and the effects of these results on bending as a sheet metal manufacturing process