Study of cutting forces on machinability properties of gray cast iron using new ceramics cutting tools

During gray cast iron cutting, the great rate of mechanical energy from cutting forces is converted into heat. Considerable heat is generated, principally in three areas: the shear zone, rake face and at the clearance side of the cutting edge. Excessive heat will cause undesirable high temperature in the tool which leads to softening of the tool and its accelerated wear and breakage. Nowadays the advanced ceramics are widely used in cutting tools. In this paper a composition special of Si3N4 was sintering, characterized, cut and ground to make SNGN120408 and applyed in machining gray cast iron with hardness equal 205 HB in dry cutting conditions by using digital controlled computer lathe. The tool performance was analysed in function of cutting forces, flank wear, temperature and roughness. Therefore metal removing process is carried out for three different cutting speeds (300 m/min, 600 m/min, and 800 m/min), while a cutting depth of 1 mm and a feed rate of 0.33 mm/rev are kept constant. As a result of the experiments, the lowest main cutting force, which depends on cutting speed, is obtained as 264 N at 600 m/min while the highest main cutting force is recorded as 294 N at 300 m/min.

Machinability Study of an aluminum-copper alloy

Machinability of materials is one of the factors that make us wonder what tools to use and what material is best suited for a particular cutting tool and which process is more efficient in the production of a component. In the case of parts for the aerospace industry, manufacturing processes assume greater importance due to the extreme demands on reliability and quality.

Experimental investigations of the machinability of Ni50.6Ti49.4 alloy

This paper reports an investigation of the machinability of a Ni50.6Ti49.4 alloy by two machining methods: electrical discharge machining and femtosecond laser machining. The electrical discharge wire cutting used resulted in an average surface roughness of similar to 1.2 mu m and a heat-affected layer of 150 mu m depth. In the laser machining, an ultrashort pulse laser with a width of 150 A was used to minimize the effect of laser-generated heat on the surface integrity. This resulted in a much smaller surface roughness of similar to 0.4 mm and a heat-affected layer of only 50 mu m. The two machining methods were compared as regards machined surface integrity.

Establishing the main Guidelines for Cast Steel to Produce Truck Parts

Este trabalho foi realizado na Scania CV AB e teve como principal objectivo estabelecer uma diretriz sobre a possível utilização de aços vazados. Existe uma grande necessidade na realização deste trabalho, de forma a apoiar os engenheiros de projecto no seu processo de selecção dos materiais mais adequados, para produzir componentes mais leves e de elevado desempenho. Esta diretriz apresenta informação relacionada com propriedades mecânicas, processos de fundição, vazabilidade, tipologia de defeitos, tratamentos térmicos, soldabilidade e tratamentos superficiais dos aços vazados. Este trabalho foi limitado, na seleção de materiais para componentes do camião, a aços vazados que poderiam ser aplicados em dois componentes específicos: um componente estrutural da carroçaria sujeito a esforços de fadiga e a um colector de gases de combustão, sujeito a fluência, oxidação, fadiga por corrosão, fadiga-térmica e fadiga-mecânica. Foi realizado um benchmark focado nestes dois componentes de forma a saber que materiais são utilizados de momento por outras empresas concorrentes. Foi realizada ainda uma análise sobre possíveis materiais que possam ser aplicados em cada componente referido. Foi conduzida uma caracterização no estado bruto de fundição de um aço inoxidável vazado usado para produzir um protótipo do colector de gases. Esta caracterização consistiu numa análise microestrutural e medição de macro e microdurezas. Além da caracterização inicial, foram aplicados um conjunto de tratamentos térmicos, de forma a estudar a possibilidade de eliminar os carbonetos presentes inicialmente nas fronteiras de grão. As principais conclusões deste trabalho são que o aço vazado apresenta potencial para ser uma escolha válida em diversas aplicações, devido a um leque alargado de propriedades apresentadas tipicamente por este material. Relativamente a aplicações estruturais, o aço vazado é vantajoso comparativamente ao ferro fundido, quando são requeridos, por exemplo, soldabilidade e elevada resistência, combinada com elevada tenacidade à fractura. Para componentes sujeitos a elevadas temperaturas de serviço, o aço inoxidável vazado é vantajoso quando usado a temperaturas superiores a 750°C, apesar do seu elevado custo. O tratamento térmico composto por um recozimento de solubilização seguido de envelhecimento, elimina quase na totalidade os carbonetos presentes nas fronteiras de grão e verifica-se um aumento de dureza através de uma precipitação de carbonetos finamente dispersos na matriz, que poderão também aumentar a resistência à fluência.

Gas tungsten arc welding of NiTi shape memory alloy

Shape memory alloys are characterized by the ability of recovering their initial shape after being deformed and by superelasticity. Since the discovery of these alloys, a new field of interest emerged not only for the scientific community but also to many industries. However, these alloys present poor machinability which constitute a constrain in the design of complex components for new applications. Thus, the demand for joining techniques able to join these alloys without compromising their properties became of great importance to enlarge the complexity of existing applications. Literature shows that these alloys are joined mainly using laser welding. In the present study, similar NiTi butt joints, were produced using TIG welding. The welds were performed in 1.5 mm thick plates across the rolling direction. A special fixture and gas assist device was designed and manufactured. Also a robot arm was adapted to accommodate the welding torch to assure the repeatability of the welding parameters. Welds were successfully achieved without macroscopic defects, such as pores and distortions. Very superficial oxidation was seen on the top surface due to insufficient shielding gas flow on the weld face. The welded joints were mechanically tested and structurally characterized. Testing methods were used to evaluate macro and microstructure, as well as the phase transformation temperatures, the mechanical single and cyclic behaviour and the shape recovery ability. Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), microhardness measurements were techniques also used to evaluate the welded joints. A depletion in Ni in the fusion zone was seen, as well as a shift in Ms temperature. For strain values of 4% the accumulated irrecoverable strain was of about 30% and increased with the strain imposed during cycling. Nevertheless, a complete recovery of initial shape was observed when testing the shape memory effect on a dedicated device that introduces a deformation of 6.7%. That is, the welding procedure does not remove the ability of the specimens to recover their initial shape.

Lithium-doped silk fibroin films for application in electrochromic devices

Silk fibroin (SF) is a commonly available natural biopolymer produced in specialized glands of arthropods, with a long history of use in textile production and also in health cares. The exceptional intrinsic properties of these fibers, such as self-assembly, machinability, biocompatibility, biodegradation or non-toxicity, offer a wide range of exciting opportunities [1]. It has long been recognized that silk can be a rich source of inspiration for designing new materials with tailored properties, enhanced performance and high added value for targeted applications, opening exciting new prospects in the domain of materials science and related technological fields, including bio-friendly integration, miniaturization and multifunctionalization. In recent years it has been demonstrated that fibroin is an excellent material for active components in optics and photonics devices. Progress in new technological fields such as optics, photonics and electronics are emerging [2,3]. The incorporation of polymer electrolytes as components of various devices (advanced batteries, smart windows, displays and supercapacitors) offers significant advantages with respect to traditional electrolytes, including enhanced reliability and improved safety. SF films are particularly attractive in this context. They have near-perfect transparency across the VIS range, surface flatness (together with outstanding mechanical robustness), ability to replicate patterned substrates and their thickness may be easily tailored from a few nanometers to hundreds of micrometers through spin-casting of a silk solution into subtract. Moreover, fibroin can be added to other biocomponents or salts in order to modify the biomaterial properties leading to optimized and total different functions. Preliminary tests performed with a prototype electrochromic device (ECD) incorporating SF films doped with lithium triflate and lithium tetrafluoroborate (LiTFSI and LiBF4, respectively) as electrolyte and WO3 as cathodic electrochromic layer, are extremely encouraging. Aiming to evaluate the performance of the ion conducting SF membranes doped with LiTFSI and LiBF4 (SF-Li), small ECDs with glass/ITO/WO3/SF-Li/CeO2-TiO2/ITO/glass configuration were assembled and characterized. The device exhibited, after 4500 cycles, the insertion of charge at -3.0 V reached –1.1 mC.cm-2 in 15 s. After 4500 cycles the window glass-staining, glass/ITO/WO3/Fibrin-Li salts electrolyte/CeO2-TiO2/ITO/glass configuration was reversible and featured a T  8 % at λ = 686 nm

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.