Tyhjiökiinnitinteknologia

Tyhjiö kiristysjärjestelmän vaakasuora puristusvoima – eli voima, joka vastustaa leikkausvoimia työstön aikana – määräytyy kolmen tekijän perusteella:

Fh = A × Δp × μ

• A: tiivisteprosessin aikana tyhjiöksi tyhjennetyn puristimen pinta-ala
• Δp: tyhjiötaso, eli puristinsuuttimen ja ympäröivän ympäristön välinen paine-ero
• μ: työkappaleesta riippuva kitkakerroin puristuslaitteiden ja työkappaleen välillä

Jokaista 100 mbar:n paine-eroa kohti syntyy noin 1 N/cm²:n pystyasentoisena käytettävä puristusvoima. Materiaalin ja pintayhdistelmän mukaan tyypilliset kitkakertoimet vaihtelevat noin 0,2:sta 0,5:een.

Koska työstövoimat vaikuttavat käytännössä pääasiassa työkappaleen pintaan nähden yhdensuuntaisesti, vaakasuora puristusvoima on yleensä ratkaiseva tekijä tyhjiö kiristysjärjestelmien suunnittelussa. Se lasketaan kertomalla pystysuora puristusvoima vastaavalla kitkakertoimella.

Käytännön esimerkki: Alumiinityökappale, jonka puristusalue on 600 cm², kiinnitetään Matrix-Plate-levyyn, jossa on kitkasaarekkeita (μ = 0,25), 800 mbar:n tyhjiötasolla. Tuloksena oleva vaakasuora puristusvoima on 1 200 N – mikä riittää noin 400 cm³/min:n lastunpoistomäärään karkaisukoneistuksessa.

Annetut arvot ovat vain havainnollistavia, sillä käytännössä saavutettava todellinen työstösuorituskyky voi vaihdella merkittävästi. Jopa tylsät työkalut, suuret syöttönopeudet tai epäsuotuisat leikkausparametrit voivat lisätä työstövoimia merkittävästi

Tyhjiö kiristysjärjestelmät koostuvat useista toisiinsa sovitetuista komponenteista, joiden avulla tyhjiö tuotetaan, jaetaan ja valvotaan.

Tyhjiökiinnityslaitteet muodostavat suoran rajapinnan työkappaleen kanssa. Sovelluksesta riippuen käytetään esimerkiksi Matrix-Plateja, tyhjiöimukuppeja tai tyhjiön läpi imeviä kiinnityslevyjä.

Tyhjiö tuotetaan sähköisesti tai pneumaattisesti. Sovelluksesta ja prosessin vaatimuksista riippuen käytetään järjestelmiä, joissa on korkea alipaine tai korkea virtausnopeus. Joissakin tapauksissa tyhjiögeneraattoreissa on myös nesteerottimet tai energiansäästöohjaukset.

Järjestelmää täydennetään lisävarusteilla ja lisäosilla, kuten asemointi- ja pysäytyselementillä, tyhjiön valvonnalla, letkulla ja tyhjiönjakelukomponenteilla.

Tyhjiökiinnitinteknologia soveltuu työkappaleille, joiden kosketuspinta on riittävän sileä ja tiivis, jotta vakaa tyhjiö voidaan muodostaa. Menetelmä on materiaalista riippumaton ja soveltuu monenlaisiin sovelluksiin.

Se on osoittautunut erityisen tehokkaaksi puun ja lasin työstössä. Lasia työstettäessä tasainen pitovoima estää paikallisia jännityshuippuja, jotka materiaalin haurauden vuoksi voivat johtaa mikrohalkeamiin tai rikkoutumiseen.

Puun työstössä vältetään paikalliset mekaaniset kiinnitysvoimat, jotka aiheuttavat vauriot. Samalla tyhjiön suhteellisen pienet puristusvoimat riittävät monille puupohjaisille materiaaleille, mikä mahdollistaa lyhyet asetusaikat ja joustavan työkappaleiden käsittelyn.

Muovitprosessissa voiman tasainen jakautuminen estää muodonmuutoksia ja suojaa herkkiä pintoja painaumilta.

Puun työstössä konsolipöytäjärjestelmä, ristikko- ja sisäkkäispöytäjärjestelmät mahdollistavat suuripinta-alaisten levymateriaalien nopean ja joustavan puristuksen, esimerkiksi huonekalutuotannossa. Lyhyet asetusaikat ja suuri joustavuus tarjoavat etuja käsiteltäessä vaihtelevia työkappaleiden muotoja.

Tyhjiökiinnitys tarjoaa etuja myös ohutseinäisille tai laajapintaisille metallityökappaleille, jotka on valmistettu alumiinista tai muista ei-rautametalleista. Työkappaleet voidaan kiinnittää ilman vääntymistä, ilman että sivusuunnassa sijaitsevat kiinnityselementit rajoittavat työkalun pääsyä tai paikalliset puristusvoimat aiheuttavat muodonmuutoksia.

Saavutettava pitovoima riippuu suoraan koko järjestelmän tiiviydestä. Vain silloin, kun työkappaleen ja kiinnityspinnan välillä on riittävän tiivis tiiviste, tarvittava tyhjiö voidaan suunnitella ja ylläpitää tasaisesti työstön aikana.

Jo pienetkin vuodot tai raot johtavat painehäviöihin ja vähentävät siten siirrettävissä olevaa pitovoimaa. Tällä on erityisen kielteinen vaikutus prosessin luotettavuuteen, kun kyseessä ovat suuret työstövoimat tai dynaamiset kuormitukset.

Huokoisten materiaalien, voimakkaasti kuvioitujen pintojen tai hyvin pienten kosketuspintojen tapauksessa riittävän tyhjiön muodostaminen voi olla entistäkin vaikeampaa. Työkappaleet, joiden pinnan syvyys tai epätasaisuudet ylittävät noin 0,1 mm, vaativat siksi yleensä mukautettuja tiivistyshuulia tai erityisiä kosketuspintoja riittävien pitovoimien saavuttamiseksi.

Alipainetekniikassa vuotojen määrät ilmaistaan virtausnopeudena litroina minuutissa (l/min). Pienetkin vuodot voivat alentaa saavutettavan tyhjiön alle puristukseen vaadittavan minimiarvon.

Jos pelkkä tyhjiöpuristus ei tämän vuoksi riitä, työstöstrategiaa voidaan sovittaa – esimerkiksi vähentämällä työstövoimia tai lisäämällä tehokasta kiinnityspinta-aluetta, kuten leikkaamalla työkappale aihista irti myöhemmässä vaiheessa.

Vaihtoehtoisesti kiinnitystä voidaan tukea edelleen mekaanisilla pysäyttimillä tai lisäkiinnityselementeillä.

Toisin kuin mekaaniset puristuslaitteet, tyhjiökiinnitinteknologia ei kohdista paikallisia voimia, vaan tuottaa tasaisen pitovoiman koko pinnalle. Tämä on erityisen edullista tilanteissa, joissa paikalliset jännityshuiput voisivat aiheuttaa työkappaleen vääntymistä, mittapoikkeamia tai pintavaurioita.

Lisäksi koko työkappaleen pinta pysyy vapaana, koska sivusuunnassa olevia puristimia ei tarvita. Tämä mahdollistaa viiden sivun työstämisen yhdellä asennuksella, mikä vähentää prosessien määrää.

Tasaisesti jakautuva voima tarjoaa myös tärinän vaimennusefektin. Tämä voi parantaa työstön laatua erityisesti ohuiden tai ei-magneettisten alumiini- tai muovi-työkappaleiden kohdalla.

Lisäksi tyhjiö kiristysjärjestelmät voidaan joustavasti sovittaa erilaisiin työkappaleiden mittoihin. Tämä mahdollistaa lyhyet asetusaikat ja kustannustehokkaan tuotannon erityisesti pienerien valmistuksessa.

Toisin kuin magneettikiinnitinteknologia, tyhjiökiinnitys ei rajoitu ferromagneettisiin materiaaleihin. Sitä voidaan käyttää puun, lasin, muovin, alumiinin ja muiden ei-rautametallien kiinnittämiseen – kaikkialla, missä vaaditaan vaurioitumatonta ja vähän vääristymää aiheuttavaa kiinnitystä.