Leikattujen levyreunojen väsymiskestävyyden parantamiseen tarkoitetun työkalupään suunnittelu

Abstract

Tämän kandidaatintyön tavoite oli suunnitella LUT-yliopiston Teräsrakenteiden laboratoriolle työkalupää, jota olisi mahdollista käyttää leikattujen levyreunojen väsymiskestävyyden parantamiseen. Suunnittelun lähtökohtana käytettiin HiFIT-laitetta, joka on hitsin rajaviivan jälkikäsittelyyn tarkoitettu paineilmatoiminen työkalu. Työkalupää suunniteltiin siten että se voitaisiin kiinnittää työkaluun kuten siinä alkuperinkin käytettävät työkalupäät, jotka tunnetaan myös neuloina.

Työssä perehdyttiin tutkimuksiin, jotka käsittelevät termisillä leikkausmenetelmillä leikattujen teräslevyjen väsymiskestävyyttä. Tämä vahvisti käsitystä siitä, että leikatun pinnan särmillä on korostunut rooli levymäisten kappaleiden väsymiskestoiän kannalta. Kirjallisuusselvitystä tehtiin myös jo käytössä olevista väsymiskestävyyden parannusmenetelmistä ja siitä, kuinka nämä vaikuttavat väsymisen kannalta oleellisiin materiaalin ominaisuuksiin, kuten jäännösjännitystila, pinnanlaatu, särömäiset alkuviat ja lujuus.

Työkalun suunnittelun kannalta välttämätöntä oli perehtyä mahdollisiin valmistusmateriaaleihin, sekä näiden vaatimiin lämpökäsittelyihin. Perinteisten koneistusmenetelmien lisäksi myös materiaalia lisäävän valmistuksen työkaluvalmistukseen tarjoamiin mahdollisuuksiin perehdyttiin.

Työn tuloksena voidaan todeta, että työkalupää saatiin suunniteltua ja sitä varten valitulle materiaalille suunniteltiin lämpökäsittelyohje, joka kattaa kaikki tarvittavat lämpökäsittelyn vaiheet. Kirjallisuusselvitys leikattujen levyreunojen väsymiseen ja jo käytössä oleviin väsymiskeston parannusmenetelmiin loivat uskoa siihen, että suunnitellun kaltaisella työkalulla voitaisiin saada parannettua särmien väsymiskestoa.

The objective of this bachelor’s thesis was to design a tool head that could be used to improve fatigue resistance of thermally cut edges of steel plates. Tool head was designed to be used in HiFIT peening tool by replacing its original tool head known as needle. The needle designed in this thesis could be used in the HiFIT tool without any modifications to the tool itself. HiFIT tool is originally used for post weld treatments. The thesis was made as a part of the research work conducted in the Laboratory of Steel Structures in LUT University.

Scientific research concerning fatigue of thermally cut steel plates was examined and that reinforced the impression that the thermally cut edges have emphasized role in the fatigue of the plates.

Also, existing methods used to improve fatigue resistance were investigated. Especially their effects on the material properties related to fatigue were studied. Those properties are residual stress state, surface roughness, crack like defects and material strength.

It was necessary to get acquainted with possible raw materials for production and the heat treatments required by those materials. Both traditional manufacturing methods like machining and more modern methods of additive manufacturing were considered as possible means of manufacturing the tool head.

As the result of this thesis could be noted that a tool head was designed as well as instructions for all the necessary heat treatment procedures for the selected material. Literature review about fatigue of thermally cut edges and existing processes used to improve fatigue resistance gave confidence for the applicability of the designed tool head. Of course, a prototype of the tool head would be needed to prove the design.