Market potentialfor free-cutting steels in Europe

Työn tavoitteena oli selvittää tilannetta Euroopan automaattiteräsmarkkinoilla ja sen perusteella arvioida Imatra Steelin mahdollisuuksia kilpailla kyseessä olevilla markkinoilla. Tärkein tavoite oli kokonaismarkkinapotentiaalin arvioiminen Saksan, Ruotsin, Englannin ja Suomen markkinoilla. Lisäksi selvitettiin käytetyt automaattiteräslajit ja mitta-alue, hintataso sekä koneistukseenliittyviä teknisiä yksityiskohtia.Tavoitteena oli myös kartoittaa asenteita ja mielipiteitä mahdollisesta lyijyn käytön kieltämisestä teräksen seosaineena tulevaisuudessa. Paremman kokonaiskuvan saamiseksi analysoitiin myös kilpailutilannetta Euroopassa. Työn teoriakehyksessä tutkittiin teollisuustuotteiden markkinatutkimuksen suorittamisen erityispiirteitä, markkinapotentiaalin määrittämiseen liittyviä käsitteitä ja kilpailija-analyysin suorittamista. Empiirinen tutkimus suoritettiin pääasiassa asiantuntijoiden haastattelujen ja kyselyjen avulla. Haastateltavina oli tukkureita ja loppukäyttäjiä. Kilpailutilanteen kartoittaminen perustuu lähinnä sekundääriseen tietoon, Internet-sivuihin ja myyntikonttoreiden aikaisemmin keräämään tietoon.Automaattiterästen kokonaispotentiaaliksi Euroopassa arvioitiin miljoona tonnia ja suurin osa kaupasta käydään tutkituilla markkina-alueilla. Suurimmat volyymit sijoittuvat pienemmille mitta-alueille, Æ 12 - 50 mm. Markkinoita hallitsee muutama suuri teräksen valmistaja. Imatra Steel kohtuullisen pienenä toimittajana ei pysty kilpailemaan volyymilla ja tuotevalikoimallaan suurten teräsjättien kanssa. Imatra Steelin mahdollinen strategiavaihtoehto olisi yrittää löytää ne kapeat segmentit ja markkinaraot, joilla sen tuotteet jatietotaito tuovat asiakkaalle suurimman mahdollisen hyödyn verrattuna kilpailijoihin.

Kalsium-käsittelyn vaikutus materiaalin lastuttavuuteen vannesahauksessa

Diplomityö käsittelee aiemmin Suomessa vähän tutkittua metallin vannesahausta. Työ keskittyy lähinnä tangon sahaukseen vaakatyyppisellä vannesahalla. Työn teoriaosuudessa luodaan silmäys erityyppisiin vannesahoihin ja perehdytään tarkemmin terän teoriaan, mm. terän valmistukseen, terämateriaaleihin, geometriaan, erilaisiin hammasmuotoihin sekä haritukseen. Lisäksi käsitellään lastuamisparametreja ja lastuamisvoimia vannesahauksessa. Tarkasteltavana on myös vannesahauksen kustannusrakenne ja sen muodostuminen. Kokeellisessa osiossa tutkitaan teräksille suoritettavan lastuttavuutta parantavan kalsium-käsittelyn vaikutusta sahattavuuteen. Kalsium-käsittely parantaa sahattavuutta 15-80 % käytettävästä terämateriaalista ja tarkastelutavasta riippuen. Kokeellisessa osiossa suoritetaan myös terävertailu kolmen eri terän välillä. Terävertailulla pyritään löytämään kustannustehokkain, eli pienimmän kustannuksen katkaisua kohti tuottava terä vertailuun valittujen vaihtoehtojen joukosta. Kustannustehokkaimmaksi teräksi osoittautui Amadan Super HLG M42 Bi-metalliterä.

Keraamisten teräpalojen käyttö niukkaseosteisten terästen lastuamiseen normaaleissa toimitustiloissa

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia keraamisten kääntöterien soveltuvuus niukkaseosteräksille ja M-käsittelyn vaikutus teränkestoaikoihin. Lisäksi tavoitteena oli tutkia keraamiseosten erityisominaisuudet ja muodostaa käsitys keraamisilla kääntöterillä sorvaamisen erityisvaatimuksista. Kirjallisuusosassa selvitettiin tutkimushetkellä saatavissa olleet keraamiset teräaineseokset ja niiden ominaisuudet sekä selvitettiin keraamisten kääntöterien viimeaikaiset kehitystrendit. Lastuamistutkimus toteutettiin standardin ISO 3685:1993 mukaisesti, minkä lisäksi mitattiin lastuamisvoimat ja tehtiin kokeessa käytetyille terille lastunmurtokoe. Koemateriaalit olivat Imatra Steelin GreenCut, Hydax 25, M-käsittelemätön 42CrMo4 ja M-käsitelty MoC410M. Kokeissa käytetyt kääntöterät olivat eri valmistajien alumiinioksiditeriä, titaanikarbidiseostettuja alumiinioksiditeriä, kuituvahvisteisia ja yksi puhdas titaanikarbidiseosteinen terä. Koetulosten perusteella hyvän teränkestoajan saavuttamiseksi on tärkeää valita oikea keraamiseos ja sille soveltuvat parametrit. Oikein valituilla parametreilla M-terästä sorvattaessa tulokset ylittävät kovametalleilla saavutettavissa olevat arvot. Tulosten perusteella niukkaseostettujen terästen sorvaus onnistuu hyvin keraamisilla kääntöterillä, mutta kovametallisorvaukseen verrattuna syöttöä on laskettava ja lastuamisnopeutta lisättävä. Tämän työn tuloksia voidaan soveltaa sopivissa olosuhteissa toteutettavassa kappaletavaratuotannossa. Sovelluksen onnistuminen vaatii tukevat työstöolosuhteet ja riittävien lastuamisnopeuksien saavuttamisen.

Lämpökäsittelyprosessin automaatioasteen nostaminen ja toiminnan tehostaminen

Työn tavoitteena oli nostaa nestekaasua energialähteenään käyttävän lämpökäsittelyprosessin automaatioastetta sekä tehostaa prosessia. Näiden tavoitteiden avulla kehitetään standardin GJS800 mukaisen pallografiittiraudan lämpökäsittelyä niin, että päästään toivotun mukaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin eli raudan korkeaan myötörajaan ja väsymisrajaan sekä hyvään sitkeyteen yhdistettynä hyvään lastuttavuuteen.Ensin selvitettiin nestekaasun käyttöön liittyviä lupa-asioita sekä välttämättömiä turvalaitteita ja –toimintoja, jonka jälkeen mahdollisimman tarkan prosessikuvauksen avulla luotiin pohja automaatiosuunnittelulle.Automaatiosuunnittelussa tavoitteena oli mahdollisimman korkea automaatioaste. Prosessoripohjainen PID-säädin ohjaa itsenäisesti koko prosessin sen jälkeen, kun alkuarvot on syötetty tietokoneen avulla säätäjän muistiin. Tarkempien säätöjen ja muun kehitystyön seurauksena saadaan myös prosessin hyötysuhdetta kasvatettua.

Mechanical Design of Hydraulic Vise

The general task of clamping devise is to connect the parts to the machining centers so that the work piece could be fixed on its position during the whole machining process. Additionally, the work piece should be clamped easily and rapidly by the machine users. The purpose of this Master’s thesis project was to develop a product design and find out the dimensioning of a hydraulic vise system for Astex Engineering OY, which was taking care of the general principles of product design and development during the design process. Throughout the process, the needs of manufacturing and assembling were taken into consideration for the machinability and minimization of the cost of manufacturing. The most critical component of the clamping devise was modeled by FEM for the issue of strength requirements. This 3D model was created with Solidworks and FEM-analysis was done with Cosmos software. As the result of this design work, a prototype of the hydraulic vise was manufactured for Astex Engineering OY and the practical test.

Lastuttavuuskokeiden kartoitus ja suunnitelma m-terästen laadun testaamiseen soveltuvasta uudesta lastuttavuuspikakokeesta

Teräksen hyvällä lastuttavuudella tarkoitetaan useita eri tekijöitä, joita ovat esimerkiksi terän pitkä kestoikä, prosessin kannalta edullinen lastun muoto sekä lastuttavan kappaleen hyvä mittatarkkuus ja pinnan laatu. Materiaalin lastuttavuuden mittaamisella teräksen valmistaja pyrkii varmistumaan siitä, että asiakkaan teräkselle asettamat lastuttavuusvaatimukset täyttyisivät mahdollisimman hyvin. Tämä diplomityö on tehty Ovako Bar Oy Ab:lle Imatran terästehtaalle. Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa olemassa olevat lastuttavuuskokeet ja laatia suunnitelma M-teräksen laadun testaamiseen soveltuvasta uudesta lastuttavuuskokeesta Ovakon yli 20 vuotta vanhan lastuttavuuskokeen eli Mq-kokeen tilalle. Mq-kokeen toimivuus on erittäin riippuvainen käytettävästä teräpalasta. Kyseisten teräpalojen valmistus on lopetettu eikä vastaavaa teräpalaa ole saatavilla. Tämän vuoksi oli tarve selvittää mahdollisuuksia korvata Mq-koe. Uuden lastuttavuuskokeen suunnittelua ohjaavat lastuttavuuskokeelle asetettavat vaatimukset, joita ovat luotettavuus, nopeus, helppokäyttöisyys ja pieni koemateriaalimäärän tarve. Tämän työn kirjallisuusosuudessa esitetyistä poraamalla, sorvaamalla ja jyrsimällä tehtävistä lastuttavuuskokeista ei löydy suoraa ratkaisua M-teräksen testaamiseen. Työn soveltavassa osuudessa esitetään kolme koevariaatiota uudeksi lastuttavuuskokeeksi. Ensimmäinen on Mq-koe täydennettynä sitä tukevilla lastuttavuuskokeilla ja siihen liittyvien ongelmien poistaminen. Toinen koevariaatio on pistosorvauskoe, ja kolmantena koekappaleen ja teräpalan väliseen resistanssiin perustuva koe. Kokeiden toimivuudesta M-teräksen testaukseen ei tarkalleen tiedetä, joten työssä on laadittu koejärjestely kokeiden toimivuuden testaamiseksi. Työn keskeisimpiä havaintoja on, että M-teräksen ja normaalin teräksen välinen ero terän kestoiässä mitattuna on kaventunut nykyaikaisten pinnoitettujen teräpalojen vuoksi. Tämä asettaa suuren haasteen uuden kokeen laadinnalle. Lyhyessä kokeellisessa osuudessa testattu pistosorvauskoe kuitenkin antoi myönteisiä tuloksia sen kehityspotentiaalista toimia M-teräksen lastuttavuuskokeena. Diplomityö antaa Ovakolle näkemyksiä erilaisista lastuttavuuskoe vaihtoehdoista ja niiden mahdollisista hyödyistä, haitoista ja mahdollisuuksista. Työssä esitettyjen vaihtoehtojen pohjalta pystytään laatimaan uusi lastuttavuuspikakoe.

Runkopalkkien valmistuksen kehittäminen

Diplomityössä kehitetään runkopalkkien valmistusta Juhani Haavisto Oy:ssä. Palkkien valmistusta käsitellään hitsauksen ja koneistuksen osalta. Työn alussa perehdytään hitsauksen mekanisointiin, hitsattavuuteen, lastuttavuuteen sekä hitsaus- ja koneistuskiinnittimiin teorian osalta. Tämän jälkeen esitellään valmistettava tuote. Kokeellisessa osassa esitetään runkopalkkien valmistusvaiheet ennen ja jälkeen kehityksen. Esille tulevat niin hitsauksen kuin koneistuksenkin valmistusvaiheet. Tutkimuksessa selvisi, että uudet hitsaus- ja koneistuskiinnittimet pienentävät työaikoja mm. mahdollistamalla laajemman mekanisoidun hitsauksen ja pienentämällä kappaleen kääntöihin ja vaihtoon kuluvaa aikaa. Lopuksi pohditaan mahdollisia jatkokehityssuunnitelmia, jotka koskevat uuden hitsauskuljettimen ja uusien lisäaineiden käyttöä.

M-käsittelyn vaikutus lastuamalla valmistettavan tuotteen valmistuskustannuksiin

Paremmin lastuttavia M-käsiteltyjä teräksiä on käytetty yrityksissä jo yli 20 vuoden ajan. Ominaisuuksiensa ansiosta M-teräksillä on pystytty pienentämään koneistuskustannuksia ja parantamaan kilpailukykyä. Viime vuosien aikana lastuavat terät ja työstökoneet ovat kuitenkin kehittyneet ja ero M-terästen ja tavanomaisten terästen välillä on voinut kaventua. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia, saavutetaanko M-teräksen käytöllä taloudellisia etuja nykyaikaisissa konepajaolosuhteissa. Tutkimuksessa vertailtiin M-käsitellyn ja tavanomaisen 42CrMo4 – teräksen koneistusta. Valmistuskokeissa tarkasteltiin terien kulumista, lastun muotoa ja pinnanlaatua. Koekappaleena toimi olakkeellinen kuusiomutteri M64 kierteellä. Tuotteita valmistettiin yli 500 kappaletta ja materiaalia poistettiin noin 2000 kg. Koetulosten perusteella tuotteille laskettiin koneistuskustannukset kuvitteellisessa yrityksessä. Ero materiaalien välillä oli suurin työvaiheissa, joissa lastuaminen oli jatkuvaa. Sisä- ja ulkosorvauksessa M-käsiteltyä terästä lastunneiden terien kestoikä oli noin kaksinkertainen ja kierteen sorvauksessa noin nelinkertainen tavalliseen teräkseen verrattuna. Hakkaavassa työstössä terien kestoikä oli molemmilla materiaaleilla sama. Työssä suoritettujen kokeiden ja kustannuslaskelmien perusteella, käyttämällä M-käsiteltyä terästä voidaan pienentää valmistuskustannuksia. Materiaalien välinen ero korostuu, kun hakkaavaa työstöä on vähän, sarjat ovat suuria ja tuotanto on miehittämätöntä.

Impact of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites

The main aim of this thesis is to study the effect of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites (WPC). The studied minerals are Talc, Calcite (CaCO3), two quantities of Wollastonite and Soapstone, and the level of mineral addition is 20 w-%. The study shows that mineral fillers can be used to modify and improve the properties of woodplastic composites. Especially the moisture-related properties of WPCs were found to be improved significantly by mineral addition. As the WPCs of the studied type are commonly used in outdoor applications, this is of importance in terms of usability. In machining, the addition of two minerals retained the surface roughness at same level throughout the test, indicating a favorable effect on machinability. The use of hard minerals shortened the tool life in machining. In general, a modest increase in density was observed. In many of the studied properties, no apparent influence of mineral addition was found, indicating that the properties were not weakened. An overall result was that talc showed the best overall performance, indicating that it can be used as an active filler improving most of the studied properties, especially moisture resistance. Calcite was found to have nearly similar performance. According to the findings, mineral addition to wood-plastic composites appears to be beneficial; especially moisture resistance can be enhanced without diminishing the other properties or usability in general.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Weldability of high strength aluminium alloys

The need for reduced intrinsic weight of structures and vehicles in the transportation industry has made aluminium research of interest. Aluminium has properties that are favourable for structural engineering, including good strength-to-weight ratio, corrosion resistance and machinability. It can be easily recycled saving energy used in smelting as compared to steel. Its alloys can have ultimate tensile strength of up to 750 MPa, which is comparable to steel. Aluminium alloys are generally weldable, however welding of high strength alloys like the 7xxx series pose considerable challenges. This paper presents research on the weldability of high strength aluminium alloys, principally the 7xxx series. The weldability with various weld processes including MIG, TIG, and FSW, is discussed in addition to consideration of joint types, weld defects and recommendations for minimizing or preventing weld defects. Experimental research was carried out on 7025-T6 and AW-7020 alloys. Samples were welded, and weld cross sections utilized in weld metallurgy studies. Mechanical tests were carried out including hardness tests and tensile tests. In addition, testing was done for the presence of Al2O3 on exposed aluminium alloy. It was observed that at constant weld heat input using a pulsed MIG system, the welding speed had little or no effect on the weld hardness. However, the grain size increased as the filler wire feed rate, welding current and welding speed increased. High heat input resulted in lower hardness of the weld profile. Weld preheating was detrimental to AW- 7020 welds; however, artificial aging was beneficial. Acceptable welds were attained with pulsed MIG without the removal of the Al2O3 layer prior to welding. The Al2O3 oxide layer was found to have different compositions in different aluminium alloys. These findings contribute useful additional information to the knowledge base of aluminium welding. The application of the findings of this study in welding will help reduce weld cost and improve high strength aluminium structure productivity by removing the need for pre-weld cleaning. Better understanding of aluminium weld metallurgy equips weld engineers with information for better aluminium weld design.