Ainestodistuksen mukaan saman erän kemiallinen koostumus, mekaaniset ominaisuudet ja mitat voivat täyttää vaatimukset, ja myös riippumattoman laboratorion tulokset voivat olla hyväksyttäviä. Kylmätyssäyksessä voi silti esiintyä halkeamia, poimuja, pyöristysten vajaata täyttymistä, työkalujen poikkeavaa käyttöikää tai osien mittavaihtelua.
Kaikki nämä ongelmat eivät johdu materiaalin laadusta. Materiaalistandardi auttaa ratkaisemaan, täyttääkö erä asetetut vaatimukset. Tuotannossa on lisäksi selvitettävä, voiko erää muovata pitkään ja vähäisellä vaihtelulla käytettävällä koneella, työkaluilla, voitelulla ja muovausprosessilla.
1. Mitä materiaalistandardi määrittää?
SAE-, JIS-, EN-, ASTM- ja ISO-standardit määrittävät materiaalin tekniset perusvaatimukset. Kylmätyssäykseen ja kylmäpursotukseen tarkoitetuista materiaaleista määritetään tyypillisesti:
- kemiallinen koostumus
- mitat ja sallitut poikkeamat
- mekaaniset ominaisuudet
- pinnanlaatu ja toimitustila
- tarkastus- ja koemenetelmät
- tarvittaessa hiilenkatoa, sulkeumia, mikrorakennetta tai muita ominaisuuksia koskevat lisävaatimukset.
SAE J403 käsittelee SAE-hiiliterästen kemiallista koostumusta. JIS G 3507 koskee kylmätyssäykseen tarkoitettua hiiliteräsvalssilankaa ja vedettyä lankaa. EN 10263 käsittelee kylmätyssäykseen ja kylmäpursotukseen tarkoitettuja teräksiä. ISO 4967 käsittelee ei-metallisten sulkeumien arviointia ja ISO 3887 hiilenkatokerroksen syvyyden määritystä.
Standardit antavat yhteisen tavan kuvata materiaalin laatua. Standardin tai teknisen sopimuksen mukainen erä täyttää niissä määritetyt vaatimukset. Tietyn osan kylmätyssäyksen onnistuminen tietyllä työkalulla ja koneella on arvioitava erikseen.
2. Materiaali, työkalut ja prosessi vaikuttavat yhdessä
Kylmätyssäys on tilavuusmuovausta, jossa metalliin syntyy suuri plastinen muodonmuutos huoneenlämpötilassa tai sen lähellä. Työkalussa materiaali puristuu ja virtaa säteittäisesti. Samalla siihen kohdistuu paikallista vetoa, leikkausta ja kitkaa. Muovauksen vakauteen vaikuttavat:
- osan geometria sekä työkalun rakenne ja pyöristyssäteet
- muovausvaiheet sekä muodonmuutos kussakin vaiheessa ja kokonaisuutena
- työkalujen samankeskisyys ja koneen jäykkyys
- muovausnopeus ja työkalun lämpötila
- voitelu, materiaalin alkuperäinen poikkileikkaus ja toimitustila ennen kylmätyssäystä.
Samalla lankavyyhdillä voidaan siksi saada eri tuloksia eri valmistajilla, koneilla tai työkaluilla. Erän vaatimustenmukaisuuden lisäksi on tarkastettava materiaalin, pintakäsittelyn, työkalujen, koneen, voitelun ja työvaiheiden yhteensopivuus.
3. Teräslajimerkintä kertoo vain osan kylmätyssäysominaisuuksista
On tärkeää varmistaa, onko teräslaji SCM435 tai SWRCH22A ja onko koostumus sallituissa rajoissa. Muovauksen vakauteen vaikuttavat myös seuraavat tekijät.
Koostumuksen tasaisuus ja suotautuminen
Teräslajin koostumukselle sallitaan vaihteluväli. Kahden hyväksytyn erän C-, Mn-, Cr-, Mo- ja B-pitoisuudet voivat sijaita eri kohdissa sallittua aluetta. Tämä voi vaikuttaa muodonmuutosvastukseen, vasteeseen palloutushehkutuksessa ja myöhemmän lämpökäsittelyn tuloksiin. Keskisuotautuma, juovaisuus ja paikallinen koostumusvaihtelu vaativat erityistä huomiota kookkaissa, voimakkaasti muovatuissa tai lujissa kiinnittimissä.
Teräksen puhtaus ja ei-metalliset sulkeumat
Teräksen valmistuksessa ei voida täysin välttää ei-metallisia sulkeumia. Yleiskäytössä hyväksyttävällä sulkeumatasolla voi silti esiintyä kookkaita, pitkulaisia tai kasaantuneita sulkeumia. Ne voivat toimia särön alkukohtina voimakkaasti muovattavissa osissa, ajoneuvojen turvallisuuteen vaikuttavissa osissa tai väsymiskuormitukselle herkissä osissa. ISO 4967:n ja GB/T 10561:n mukainen arviointi auttaa tunnistamaan materiaalin sisäisiä vikakohtia, jotka voivat haitata suurta plastista muodonmuutosta.
Mikrorakenne palloutushehkutuksen jälkeen
Keskihiiliterästen, seosterästen ja laakeriterästen kylmämuovattavuuteen vaikuttaa suoraan palloutushehkutuksen jälkeinen tila. Palloutumisasteen lisäksi on tarkastettava, ovatko karbidit hienoja ja tasaisesti jakautuneita, esiintyykö suuria karbideja tai selvää juovaisuutta, onko ferriittinen matriisi tasainen ja vastaako pintaosan mikrorakenne ydinosan rakennetta. Riittämätön palloutuminen voi kasvattaa muodonmuutosvastusta. Epätasainen mikrorakenne voi johtaa paikallisiin eroihin materiaalin virtauksessa.
Pinnanlaatu ja hiilenkato
Langan pinta voi muovautua plastisesti voimakkaasti kylmätyssäyksen aikana. Säröt, poimut, vetonaarmut, painaumat, liian voimakas peittaus ja paikallinen hiilenkato voivat korostua muovauksessa. Pintasäröt ja poimut saattavat olla vaikeita havaita materiaalitarkastuksessa ja kasvaa nopeasti suuren muodonmuutoksen aikana. Vaativissa osissa vetolujuuden ja kovuuden tarkastus ei yksin riitä.
Langanvedon jälkeinen tila
Kylmätyssäyslanka vedetään tavallisesti yhdessä tai useassa vaiheessa. Vedossa muuttuvat mittojen lisäksi muokkauslujittuminen, jäännösjännitykset, pinta- ja ydinosan kovuusero, mikrorakenteen suuntautuminen ja pinnan tila. Samastakin valssilangasta voidaan saada eri tavoin kylmätyssäytyvää lankaa, kun poikkipinnan pienenemä, vetovaiheiden järjestys, vetotyökalun kulma tai voitelu vaihtelevat.
4. Fosfaatti- ja saippuapinnoite sekä koneen ja työkalujen toiminta
Kylmätyssäyksessä langan ja työkalun väliseen kosketukseen liittyvät suuri pintapaine, plastinen muodonmuutos ja jatkuva kitka. Pintavoitelun toimivuus sekä koneen ja työkalun suorituskyky vaikuttavat siihen, kuinka tasaisesti materiaali virtaa.
Fosfatointi ja saippuapinnoitus
Kylmätyssäykseen tarkoitettu teräslanka fosfatoidaan usein ennen saippuapinnoitusta. Yhdistelmältä vaaditaan voitelevuutta, muodonmuutoskykyä, tiiviyttä, tasaisuutta ja tartuntaa sekä kykyä sitoa öljyä tai saippuaa.
- Voitelu pienentää kitkaa ja leikkausvastusta. Riittämätön voitelu voi kasvattaa muovausvoimaa, pinnan lämpötilaa ja työkalun kulumista, rajoittaa materiaalin virtausta ja aiheuttaa naarmuja, kiinnileikkautumista tai halkeamia.
- Pinnoitteen on mukauduttava perusaineen muodonmuutokseen. Jos se halkeaa, jauhautuu tai hilseilee muovauksen alussa, seuraavissa työvaiheissa voi syntyä paikallista kuivakitkaa.
- Liian ohuet, karkeat, epätasaisesti kiteytyneet tai pinnoittamattomat alueet voivat jakaa voiteluaineen epätasaisesti. Keskimääräisen pinnoitemassan lisäksi tarkastetaan peittävyys, kiteiden tasaisuus, pinnan karheuden sopivuus saippuapinnoitukseen sekä vyyhdin alun, keskiosan ja lopun yhdenmukaisuus.
- Jauhe, irronneet pinnoitepalat, kertymät muotissa, naarmut, kiinnileikkautuminen ja poikkeava kuluminen voivat viitata heikkoon tartuntaan. Pinnoitteen on pysyttävä pinnassa myös suurella kosketuspaineella.
- Fosfaattikerroksen rakenne sitoo voiteluainetta ja auttaa säilyttämään voitelun ensimmäisen muovausvaiheen jälkeen. Kokonaisuuteen kuuluvat langan pinta, fosfaatti- ja saippuakerrokset sekä työkalun voitelu.
Voiteluaineen syöttö
Hyvästä pintapinnoitteesta huolimatta työkalu tarvitsee tasaisen voiteluainesyötön jatkuvassa nopeassa tuotannossa. Tarkasta, saavuttaako voiteluaine voimakkaan muodonmuutoksen alueet, pysyykö määrä tasaisena työasemien välillä ja vaihteleeko viskositeetti lämpötilan mukana. Selvitä myös, jääkö työkalussa alueita vaille voitelua ja ehtiikö syöttö täydentää voiteluaineen suurella nopeudella.
Lujien materiaalien, suurten muodonmuutosten ja monivaiheisen muovauksen yhteydessä voitelun puute voi näkyä ensin poikkeavana muovausvoimana, pintavaurioina, työkalun lämpenemisenä tai käyttöiän nopeana lyhenemisenä. Seurauksena voi myöhemmin olla muovaushalkeamia.
Työkalun lämpötilan hallinta
Kylmätyssäyksessä työkalu voi lämmetä jatkuvan tuotannon aikana. Suuri osa plastiseen muodonmuutokseen ja kitkaan tehdystä työstä muuttuu lämmöksi. Jos lämpöä ei poisteta riittävästi, työkalun paikallinen lämpötila nousee. Tämä vaikuttaa voiteluaineen viskositeettiin, kitkakertoimeen, työkalun mittoihin, lujuuteen ja käyttöikään sekä osien mittavaihteluun.
Nopeassa jatkuvassa tuotannossa ratkaisevaa on vakaa lämpötasapaino. Jos työkalun lämpötilaolosuhteet eroavat ensimmäisten 1000 osan ja 100 000 osan tuotantoajon välillä, osien ominaisuudet voivat muuttua materiaalin pysyessä samana. Prosessi tarvitsee tasaisen voitelun, riittävän lämmönpoiston ja lämpötilan hallinnan.
Työkalun rakenne, jäykkyys ja samankeskisyys
Liian pieni pyöristyssäde, muodonmuutoksen keskittyminen, liian suuri poikkipinnan pienenemä yhdessä vaiheessa tai pitkä virtausreitti voi keskittää venymää paikallisesti. Luistin epätarkkuus, työkalujen samankeskisyysvirhe, koneen riittämätön jäykkyys tai liian suuri ohjausvälys voi aiheuttaa epäkeskistä kuormitusta. Myös standardin mukainen materiaali voi silloin haljeta paikallisen jännityskeskittymän vuoksi. Sama erä voi toimia vakaasti yhdellä koneella ja aiheuttaa poikkeamia toisella.
5. Miksi hyväksytty materiaali ei aina sovi tiettyyn kylmätyssäysprosessiin?
Materiaalistandardi määrittää materiaalin vaatimukset. Osan valmistettavuuteen vaikuttavat yhdessä materiaali, pintakäsittely, voitelu, työkalut, kone, lämpötila, prosessijärjestys ja osan geometria. Standardin vaatimusten täyttäminen on yksi käyttöönoton edellytyksistä. Tuotannon vakaus edellyttää koko valmistusjärjestelmän yhteensopivuutta.
6. Materiaalin arviointi ulottuu ainestodistusta pidemmälle
Kehittäessään ja toimittaessaan kylmätyssäysmateriaaleja Creation Group arvioi C-, Mn-, Si-, Cr- ja Mo-pitoisuuksien lisäksi osan ja asiakkaan prosessin vaatimuksia:
- palloutunut mikrorakenne ja sen tasaisuus, ei-metalliset sulkeumat, hiilenkato ja pinnan tila
- poikkipinnan pienenemä ja muokkauslujittuminen langanvedossa
- fosfaattikerroksen tasaisuus, tiiviys ja tartunta sekä saippuakerroksen voitelu- ja muodonmuutoskyky
- asiakkaan muodonmuutosmäärä, muovausasemien rakenne ja työkalujen voitelu
- koneen nopeus, työkalujen lämpötilaolosuhteet ja jälkilämpökäsittelyn vaatimukset.
Pitkään vakaana jatkuva tuotanto edellyttää ymmärrystä siitä, miten lanka käyttäytyy asiakkaan työkalussa.
Johtopäätös tuotannon kannalta
Standardi osoittaa, täyttääkö materiaali vaatimukset. Tuotannon vakaus riippuu valmistusjärjestelmän toiminnasta kokonaisuutena. Sopiva kylmätyssäyslanka muovautuu toistettavasti ja vähäisellä vaihtelulla, kun pintakäsittely, voitelu, työkalu ja kone sopivat työhön. Standardin vaatimustenmukaisuus antaa lähtökohdan laadunhallinnalle, ja prosessin yhteensopivuus mahdollistaa vakaan valmistuksen.
Standardit ja tekniset viitteet
- SAE J403 – SAE-hiiliterästen kemiallinen koostumus.
- ASTM A510/A510M – valssilangan ja karkean pyöreän teräslangan yleiset vaatimukset.
- JIS G 3507 – kylmätyssäykseen tarkoitettu hiiliteräsvalssilanka ja teräslanka.
- EN 10263 – kylmätyssäykseen ja kylmäpursotukseen tarkoitetut teräkset.
- ISO 4967 – teräksen ei-metallisten sulkeumien mikroskooppinen arviointi.
- ISO 3887 – teräksen hiilenkatokerroksen syvyyden määritys.
- ASM Handbook, Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming – kylmätyssäyksen, kylmäpursotuksen ja tilavuusmuovauksen tekninen viite.
Kokeet ja raja-arvot voivat vaihdella materiaalin, tuotteen ja asiakkaan teknisen sopimuksen mukaan. Toimituksessa ja arvioinnissa noudatetaan tilauksessa nimettyä standardia ja asiakkaan teknisiä vaatimuksia.
Creation Group
Toimialamme kattaa kylmätyssäyslangan, profiililangan ja materiaalit vaativaan kylmämuovaukseen. Arvioimme mikrorakennetta, pintakäsittelyä, mittatarkkuutta ja mekaanisia ominaisuuksia yhdessä asiakkaan todellisen muovausprosessin kanssa, jotta asiakkaan kylmätyssäystuotanto toimisi vakaammin.