Dreiing av løpsemne

Forrige uke ble jeg ferdig med første del av en lengre prossess som i teorien skal ende opp med å bli et fullt fungerende løp til en Mauser M98.

Det hadde vært veldig dyrt å gi alle ferske elever ekte løpsemner å jobbe med, d.v.s. stålstenger med ferdig riflet hull i, så vi bruker standard 30mm rundt bløtstål. De ferdige "løpene" blir også totalt 35cm lange, som er ulovlig kort i norge for jaktrifler uansett. Dette er sannsynligvis for å spare stål og gjøre oppgaven litt raskere, men ikke egentlig noe enklere. Prinsippene er de samme om man skulle laget en lengre pipe.

View fullsize

Her er det ferdige produktet. Det første jeg gjorde var å finne toleransene jeg må forholde meg til. Som vi kan se på bildet er ingen toleranser satt på tegningen, de som er skrevet på er de jeg har ført på. Det oppgis at vi skal følge NS-ISO 2768-1, som er en standard for toleranser som gjelder alle mål som ikke er spesifikt toleransesatt i tegningen, men denne standarden følges bare om det oppgis på tegningen ettersom det finnes flere nøyaktighetsgrader innen denne standarden. Som vi ser så skal vi bruke "middels".

Jeg har ikke i skrivende stund enkel tilgang på tabellen med standarden, men den ser omtrendt slik ut:

View fullsize

NB! Ikke bruk tabellen over i ordentlig arbeid, den er ikke helt korrekt.

Etter det var gjort kunne jeg sette i gang. Jeg kappet et stykke rundstål såpass langt at jeg kunne holde det i kjoksen slik at alt som skulle bli løpet var fritt tilgjengelig, d.v.s. jeg kappet det slik at jeg hadde et oppspenningstykke som kun er til for å trygt feste delen i maskinene.

Jeg dreide hele delen ned til største diameter på tegningen, 29mm. Jeg hadde her 0,2mm toleranse begge veier, så alt mellom 29,2 til 28,8 ville vært akseptabelt. Delen skulle helt til slutt pusses og poleres så jeg la meg godt på overmål, d.v.s. jeg dreide alle diametere ned til øverste toleranse med vilje for å ha mest mulig gods å gå på når jeg skulle pusse delen senere. For å være helt på den trygge siden la jeg meg faktisk på 29,3, men dette viste seg å være unødvendig mye sikkerhet og endte opp med å bli til unødig pussing.

Deretter regnet jeg ut konusvinkelen, eller rettere sagt, toppsleidevinkelen som man kan se på det øverste bildet. Den koniske delen av løpet skulle ha en forskjell i diameter mellom endene på 8mm, så vinkelen på toppsleiden ble bare 0,864°.

Indikasjonsmerkene på toppsleiden er langt i fra presise nok; jeg måtte finne en god måte å sikre riktig vinkel på.

Noen av mine medelever regnet ut at et stykke på 100mm av konusen kom til å ha et avvik i diameter på 3,02 eller noe der omkring og dreiiet konuser og justerte toppsleiden til avviket de målte med skyvelære ble korrekt. En helt kurant, men i min mening tungvindt måte å gjøre det på. Etter et godt tips fra læreren endte jeg opp med å klokke inn vinkelen.

View fullsize

Hvis konusen har en total endring i diameter på 8mm vil dette tilsi en endring på 4mm på en "side". Halvparten av dette vil da bli 2mm over halve lengden av konusen. Jeg kalkulerte som sagt med at konusen var 270mm minus radien 5 (som egentlig ikke er 5mm "lang", men å regne med 5 blir nøyaktig nok) altså 265mm. Halvparten ble da 132,5mm.

Jeg markerte opp 132,5mm på arbeidsstykket og førte toppsleiden frem og tilbake og justerte forsiktig på den med en gummihammer til måleuret viste en endring på 2mm over den avstanden jeg hadde markert opp.

View fullsize

Fra rissemerke til rissemerke, men ikke i rissemerket.

View fullsize

Vi har hverken konuslinjal eller pinolforskyver så konusen måtte lages med toppsleiden. Det går fint det, men da må tverrsleiden flyttes i løpet av konusdreiingen. Med toppsleiden og tverrsleiden nullet ut hadde jeg et nullpunkt på den smale enden av konusen.

View fullsize

Mange passeringer med toppsleiden og flyttinger av tverrsleiden senere:

View fullsize

I den tykke enden av konusen skulle det være en radius på 5mm. Jeg regnet meg frem til at den totale målbare lengden på konusen (den lengden av konusen jeg kunne få pålitelige diametermål fra) var 265mm. Konusen i sin helhet var 270mm, men siden enden av konusen hadde en radie trakk jeg denne fra totalengden i mitt regnestykke. En liten bisetning her er at mellom en diameter på 29 og 25 millimeter som radien var skille mellom blir ikke "lengden" av radien 5mm siden profilen i verktøyet ikke føres mer enn 2mm inn i arbeidsstykket (i forhold til delen som er 29mm i diameter).

View fullsize

Så nøyaktig hvor langt blir partiet med radius?

View fullsize

Vi kan bruke algebra, eller grafe en sirkel for å finne den eksakte lengden. Formelen for å grafe en sirkel ser slik ut:

Der X og Y representerer et punkt langs sirkelen og H og V representerer sirkelens midtpunkt på X og Y-aksen respektivt.

R representerer radien.

Med dette kan vi fylle inn dataene våre; vi vet at radien er 5 og at hvis vi tenker på X-aksen som løpet (den delen som er 29mm) vet vi at p.g.a verktøyets radius vil senter av sirkelen stå 5mm fra arbeidsstykket når det er i kontakt med arbeidsstykket, så sirkelens senter blir altså da;

X=0, Y=5

Vi vet at verktøyet skal 2 mm inn i arbeidsstykket, så med disse dataene kan vi fylle ut formelen til å se slik ut:

Vi kan rense den opp og fjerne nullen i X delen av funksjonen og regne den ut slik:

SIden noe opphøyd i 2 alltid blir et positivt tall vet vi ikke om svaret er 4 eller -4, som er forsåvidt riktig siden det vil være korrekt på begge sider av Y-aksen, men vi skjønner ihvertfall at "lengden" av radien er 4mm. Under kan vi se denne funksjonen grafet opp og vi ser at den blå streken (arbeidsstykket) og den rød sirkelen (formskjæret) møtes på -4 når kuttdybden tilsvarer 2.

View fullsize

Hvis vi sjekker svaret i et CAD program kan vi se at det stemmer:

View fullsize

Den totale lengden av konusen vil da bli 266mm, men som sagt så regnet jeg med 265 og det ble nøyaktig nok ved de toleransene vi jobbet med. Det er også viktig å bemerke at siden konusens store diameter regnes på tegningen fra slutten av radien kan formskjæret til radien føres inn sidelengs med tverrsleiden.

Etter at formen var dreiet gjenstod det pussing og polering.
 

View fullsize

Jeg begynte med grovt 80 smergel for å effektivt få vekk noen stygge, men ikke altfor dype, hakk som hadde oppstått under dreiingen og benyttet gradvis finere smergel opp til 400.

View fullsize

Jeg limte smergelet fast i en bit med L-stokk aluminium for å sikre gjevn kontant med løpet og gjøre det lettere å sikre at det blir tatt like mye over hele løpet slik at det ikke danner seg flukter og bølger i løpet når man ser nedover det.

Deretter våtslipte jeg med 600 og 1200 papir og polerte til slutt med poleringsmiddel.

Helt til slutt kappet jeg løpet fra oppspenningsbiten og dreiet det til korrekt lengde.

View fullsize

Meget pent! Pussingen var det steget av prosessen jeg ble minst fornøyd med. Ikke p.g.a finishen, som ble meget bra, men jeg pusset litt aggressivt ved enden av konusen og ved den skarpe overgangen på radien slik at disse ble noe avrundet. Jeg får passe litt bedre på pussingen min i fremtiden.

Dreiestålholder

En av de første obligatoriske læreplan-oppgavene var å produsere en enkel dreiestålholder. Dette er hovedsaklig en freseøvelse, og det gir mening å begynne med noe sånt, i og med at det slik jeg forstår det er ytterst få elever fra TIP VG1 som har hatt opplæring i fresemaskin, og de som har det har vanligvis ikke hatt mye tid til å øve seg på fresing.

Av de jeg har snakket med, som inkluderer både mine gamle medelever samt mine nye klassekamerater og andre som har gått TIP så er ikke fresen prioritert pensum, blir sett på som for vanskelig eller en hellig maskin som ikke skal røres. Det syns jeg er veldig trist siden det er en meget viktig og integral del av maskinopplæringen og et ekstremt nyttig verktøy. Ikke er det spesielt vanskelig heller, det gjelder bare å tenkte seg om og holde tunga rett i munnen. Det kan bli vanskelig hvis man skal begynne å lage heliske tannhjul og sånne ting, men grunnopplæringen innen fres er på ingen måte rocket science.

Vi skulle ihvertfall lage en dreiestålholder til hurtigstål, som er en blokk med et spor og noen skruer som holder på plass dreieskjæret når man dreier:

En grei oppgave for å bli kjent med maskinene på verkstedet og friske opp fresekunnskapene.

Som sagt tar det tid å venne seg til nytt verksted, og det oppbevaringsstedet for metall jeg så i hadde ikke det nødvendige råstålet, så jeg satte i gang å frese ut et adekvat arbeidsstykke fra en stor kloss med stål. Dette viste seg var unødvendig da jeg ble opplyst om hvor vi hadde firkantstål.

Som vi ser på tegningen skal holderen bli 24,5mm begge veier. Å bruke 25 x 25 millimeter firkantstål byr på noen problemer. Stålet kommer ikke helt firkantet, men med kraftig avrundede hjørner, og når det kun skal fjærnes en halv millimeter er det ikke nok til å rette opp kantene. Men læreren sa det ikke var kritisk at hjørnene ble nokså avrundet, jeg syns bare det er verdt å påpeke at det er viktig å starte med et stort nok utganspunkt i alle dimensjoner til å ende opp med det tegningen viser.

Toleranser og overflatefinhet var ikke oppgitt så det ble en oppgave i seg selv å se hvor korrekte mål og god finish jeg fikk til.

Jeg tenkte det var en god idé å rette og rense sidene så jeg planfreste en side og snudde arbeidsstykket 90° og freste den andre siden. Slik hadde jeg gode referanseflater for videre bearbeiding. Jeg flyttet ikke på noe eller indekserte maskinen på nytt da jeg snudde stykket, slik oppnår jeg to teoretisk like kutt og opprettholder den kvadratiske formen til stykket.

Jeg endte opp med en endring i tykkelse på 0,1 mm over lengden av stykket; hva det kommer av er vanskeligå si, kan ha vært spon under en side eller dårlige parallellklosser. Jeg spente stykket godt fast og hamret det ned for å sikre god kontakt med støtten, men allikevel ble det et merkverdig avvik her.

Det spilte uansett liten rolle siden jeg nå som sagt hadde to gode referanseflater for videre arbeid. Jeg freste raskt de to andre sidene bare for å få vekk fabrikkbelegget og få et bedre grep i stikka, samt å preparere siden for sporet.

Jeg freste så ut sporet; jeg må innrømme at jeg måtte gjøre dette to ganger siden jeg ikke la merke til at en side, som man kan se på tegningen, er 7mm. Jeg overså dette og antok bare at sporet skulle være midt på. Det virker som uansett hvor mange ganger det blir banket inn i hodene våres i løpet av skolegangen at det er viktig å lese oppgaveteksten nøye gjør man fremdeles slike glipper.

Men jeg tok meg heldigvis i det ganske kjapt og begynte på nytt. Sporet skulle være 10,2mm, et snodig tall, både dypt og bredt. Til dette brukte jeg en 8mm pinnefres.

Dersom man bruker en fres som er nøyaktig det målet man skal ha kan kuttet bli litt for stort siden fresen kan hoppe litt eller vandre eller på andre måter ta av litt for mye. Det er bedre å ta dette i flere operasjoner.

Her lærte jeg noe nytt om med- og motfresing. Et tema jeg ikke har snakket så mye om før.

Motfresing er når arbeidsstykket mates i motsatt retning av fresens rotasjonsretning slik at de jobber mot hverandre. Sponet vil starte tynt og gradvis øke i tykkelse mot kuttets slutt.

Medfresing er når arbeidstykket mates i samme retning som fresens rotasjonsretning slik at de jobber med hverandre. Sponet vil starte tykt og gradvis synke i tykkelse mot kuttets slutt.

Motfresing er stort sett betraktet som den trygge metoden å frese på, siden arbeidskreftene jobber mot hverandre og hjelper hverandre til å kutte. Medfesing blir sett på som en utrygg fresemetode, men den kan fint brukes. Det nye jeg lærte om dette var at medfresing ofte gir bedre overflate rett ut av maskinen enn motfresing. Det farlige met medfresing er hvis kuttdybden og/eller matehastigheten er stor eller det er slakk i ledeskruen så kan verktøyet grave seg inn i arbeidstykket og bli ødelagt, ødelegge arbeidsstykket, eller i værste fall sende arbeidsstykket flyvende av gårde hvis oppspenningen er dårlig. Med motfresing vil dette ikke kunne skje.

Så for å få korrekte mål og fine overflater startet jeg med et 8mm spor ned til korrekt dybde, litt lenger enn 7mm inn fra en side. Jeg gikk ned 1mm av gangen. Jeg kunne tatt mer, men jeg valgte å ikke belaste verktøyet unødvendig mye. Deretter freste jeg hver side separat til nær korrekte mål og medfreste den siste biten som var igjen på hver side for en god finish.

Etter at dette var gjort var det over til plansliperen for å... planslipe sidene.

Plansliper er en maskin jeg ikke har vært så veldig mye borti før. Vi hadde en på skolen i fjor, men den var i ustand. Jeg kjenner til grunnprinsippene, men jeg har aldri brukt den ordentlig før.

Det viste seg å ikke være noe hokus pokus det heller. Det viktigste er at, som i alle maskiner, at arbeidsstykket er skikkelig spent fast. Planslipere bruker vanligvis et elektromagnetisk bord for å gjøre fast det som skal slipes. Dersom det som skal slipes har liten overflate eller lite kontant med bordet kan det fyke av gårde hvis man mater litt fort og dypt.

For sikkerhetsskyld la jeg en solid stålkloss på den siden av arbeidsstykket som slipesteinen dytter på.

Når arbeidssykket er lagt på plass skrur man på strømmen og det sitter bom fast. Så kan maskinen skrus på, høyden stilles inn og så beveges bordet frem og tilbake under slipehjulet mens bordet mates inn eller ut.

Plansliping gir en meget pen overflate syns nå jeg, og etterpå kreves det relativt lite arbeid for å blankslipe og polere delen. Det produserer også en meget rett flate.

Jeg brukte plansliperen til å ta arbeidsstykket ned til korrekte dimensjoner. Jeg gikk litt for nærme eksakte mål her og havnet litt på undersiden av målene etter pussing og polering, så det er lurt å legge på en tidel eller så for sluttpussen.

Etter litt pussing rettet jeg sidene med en solid pinnefres og tok stykket ned til korrekt lengde.

Etter dette kunne jeg bore hullene til set-skruene og gjenge disse. M6 skruer krever 5mm gjengebor, ingen overraskelser her.

Til slutt våtslipte jeg holderen med 600 og 1200 papir og polerte den.

Ferdig og klar til å brukes! Jeg endte opp med mål på +/- 0,1mm og ganske fin overflate. Resultatet ble ganske pent og jeg er nokså fornøyd.

Jeg kunne ha fått en enda bedre overflate her og der, det er fremdeles noen veldig små hakk og riper. Noe av det stammer fra oppspenningen i stikken til fresen da jeg skulle bore hullene til skruene, men selv om jeg renset stikkekjevene og var påpasselig med holderen og behandlet den forsiktig etter sluttpussen var kjevene såpass 'ødelagt' at de ble noen merker.

Men funksjonelt er den tipp topp.

Startpistolen i hånd

Jeg er nå i den andre hele uken på skolen. Så langt har det vært en magisk, men samtidig edruende, opplevelse. Vi er i oppstartsfasen, selvsagt som det er, hvilket har stort sett inneholdt informasjon, sikkerhets-briefer og formaliteter.

Det er forfriskende, men allikevel slitsomt å begynne på et nytt verksted. Alt er på andre steder og ingenting er der du forventer. Når det er sagt så er det veldig godt organisert med merkelapper og åpenbare lagringsplasser for verktøy og slikt, men det tar tid å venne seg til nye arbeidsomgivelser. Jeg forsøker så godt jeg kan å være systematisk med å returnere verktøy til sitt rettmessige hjem når jeg er ferdig med det, men jeg har måtte raskt avvenne meg med å stole på at verktøyet jeg henter er det som stod på boksen. To ganger allerede har jeg tabbet meg ut fordi jeg ikke dobbeltsjekket at verktøyet var det jeg antok at det var. Det korrekte er jo å si at jeg ikke har noen andre å klandre enn meg selv og å ta lærdom av det, men det får en til å ville slå noen til blods med en sløv sleiv når ting ikke er på rett plass.

Vi har fått uttdelt en rekke obligatoriske oppgaver som skal innebefatte det mest grunnleggende av det en børsemaker skal kunne. Dette er stort sett produksjonsoppgaver og jeg gleder meg til å takle dem i løpet av året. Noen av mine medelever virket litt betuttet over at det ikke var mer våpenklåing fra dag èn, men det er forståelig at man må ha en god forståelse av funksjon før man piller fra hverandre noe man ikke kan sette sammen igjen. Men det vil nok bli plenty med våpentafsing etterhvert.

Det er ikke så nøye for min del, altså, hvem liker ikke å skyte og mekke på ting, men jeg er mer interessert i maskinersingprosesser, fremstillingsmåter, behandlinger og håndarbeid. Jeg liker å produsere ting, spesielt når jeg har funnet det opp selv. Utvikling er vel og bra, men det er ikke hovedsaklig det mitt fremtidige yrke baserer seg på. Det er selvsagt viktig at en børsemaker kan lage deler og våpen, men så vidt jeg har skjønt er det svært sjeldent at en børsemaker bygger helt nye våpen fra bunnen av. Men denne utdanningen gir meg hvertfall evnen til å gjøre det om jeg måtte ønske.

Det å forme vår verden til å passe oss, lage innretninger som gjør livet enklere, være herrer over vår egen skjebne og å samarbeide mot en bedre morgendag, det er meningen med livet. Det hørtes veldig poetisk og fjollosofisk ut, men jeg mener det med oppriktighet. Mekanikk og teknologi er fascinerende. Det er på mange måter tilfeldig at akkurat våpen er det som pirrer min interesse, men som jeg har snakket om tidligere så er teknologien på det stadiet mellom at hvem som helst kan gjøre det og at man trenger en doktorgrad i kjernefysikk for å holde på med det. Pluss at det er kunstverk som smeller, what's not to love!?

Som aller første produksjons-oppgave skulle vi lage en stokkholder:

Denne innretningens oppgave er å beskytte treverk og andre myke materialer i stokken (delen av våpenet man holder i) mot oppspenningsmerker i skruestikken. Denne går altså mellom stokken og stikken, med egne skruer slik at den sitter fast rundt våpenet og blir med fra stikke til stikke dersom det skulle være nødvendig å flytte det. Kjekt.

Vi hadde en mal å gå etter, en av lærerne sine egne, men denne er et eksempel av funksjon over form, så at den var helt lik var ikke nødvenig.

Jeg dreide et stykke rundstål til mål og serraterte det.

Nydelig.

Treplatene ble generøst tildelt oss fra klasserommet ved siden av, som driver med treverk. Jeg er ikke helt sikker på hva de driver med, men jeg har lyst til å si møbelsnekker. Enda et nobelt yrke.

Platene ble kappet og tilpasset skruetvingen min

Ut av ren latskap enn noe annet, dvs. mindre bytting av verktøy og dreieskjær lagde jeg alle fire skruene på en gang; jeg fjernet mesteparten av massen med stikkskjæret. Ikke helt den optimale måten å gjøre det på, men det gikk fort.

Som perler på en snor.

De ble kappet av med baufil, de stakk for langt ut og var for skjøre i denne tilstanden til å kappe dem av helt med stikkstålet. Dessuten stod pinolen i og det var fare for å skade dem når de løsnet fordi de ikke hadde hatt rom til å falle ned.

Før de ble kappet brøt jeg kantene med en flatfil.

Deretter ble de rettet opp og renset hver for seg med vanlig karbidskjær, boret og gjenget.

For å rense den lille siden satte jeg fast en bit gjengestang i kjoksen og skrudde skruen inn på den. Når dreiebeken roterer vil den skru seg i "riktig" retning og sitte godt fast mot kjoksen.

Tada! Ingen krevende oppgave, men en fin måte å bli bedre kjent med verkstedet og maskinene.

Flere spennende oppgaver og lærdom venter.

Med begge beina innenfor døra

Veien mot drømmen om å bli børsemaker tar en skarp sving i riktig retning. En vinn-eller-forsvinn satsing hvor jeg bare dro til skolen og møtte opp har båret frukter. Jeg søkte på skoleplass gjennom de vanlige kanaler, men min situasjon plasserte meg langt bak i køen og hindret meg i å komme noen vei på den måten. Så hva skal man gjøre? Når man endelig finner sitt kall er ikke denne karen en som stopper ved første tegn til motgang.

“When life gives you lemons, don’t make lemonade. Make life take the lemons back! Get mad! I don’t want your damn lemons, what the hell am I supposed to do with these? Demand to see life’s manager! Make life rue the day it thought it could give Cave Johnson lemons! Do you know who I am? I’m the man who’s gonna burn your house down! With the lemons! I’m gonna get my engineers to invent a combustible lemon that burns your house down!”

— Cave Johnson

I et desperat siste forsøk på å bli akseptert av den eneste institusjonen i Norge som utdanner børsemakere, Gauldal VGS, som jeg av flere har blitt fortalt er den beste veien til yrket, møtte jeg opp første skoledag uten mye forvarsel og prøvde lykken.

Det må tydeligvis ha gjort inntrykk siden det virket. Jeg er riktignok ikke en fullverdig elev i den forstand at skolen ikke er forpliktet til å bistå med lærlingplass og slike ting, men jeg får den samme utdanningen og kompetansen som mine medelever, som jeg gleder meg til å bli kjent med.

Jeg er selvsagt svært lettet og dypt takknemlig til alle som har bidratt til at dette kunne skje. Men nå starter alvoret og jeg skal gjøre mitt ytterste for å lykkes. Finnes det en bedre bursdagsgave!?

Spesielt takk til mine foreldre, Gunn, Erik, Lars, Morten og lærerene, samt ledelsen på skolen.

Here we go!

Hydraulikk og pneumatikk

Hydraulikk og pneumatikk er svært effektive og smarte måter å overføre mekanisk kraft på. Væsker og gasser har den egenskap at de former seg til omgivelsene og sprer seg likt utover hele det området de har tilgjengelig. De er "smidige" og kan overføre kraft på rare måter og i merkverdige vinkler.

Ordet hydraulikk kommer fra latin, 'hydro' som betyr "vann" og pneumatikk kommer av ordet 'pneuma' som betyr "pust" eller "sjel".

Hydraulikk er læren om væske i bevegelse og trykk i mekaniske systemer, rettere kalt hydrodynamikk og hydrostatikk respektivt.

En fundamental egenskap med væsker er at de er så godt som ukomprimerbare. Det vil si at de er veldig egnet til å omdirigere trykk og kraft.

Dette er hovedforskjellen mellom hydraulikk og trykkluft, siden trykkluft baserer seg på gass, hvilket ER komprimerbar. Væske er teknisk sett komprimerbar, men det komprimerer seg maksimalt ca. 1,5% under enormt trykk.

Hydraulikk brukes når man trenger ren kraftoverføring. Trykkluft brukes i systemer som trenger å slå raskt ut eller være fjæret, som luftfjæring i biler.

Siden ca. 1950 har hydraulikk vært standard teknologi i konstruksjonsmaskiner og er i dag brukt overalt i tung industri, styresystemer, bremsemekanismer, etc. og spiller en stor rolle innen gruvedrift, landbruk m.m.

Pneumatikk er på mange måter likt som damp med tanke på at begge bygger på å komprimere gass, men hovedforskjellen er hvordan de oppnår trykket. Dampdrift oppnås ved å koke vann og lage vanndamp under høyt trykk, noe som skaper veldig mye energi og er hvordan de fleste atomreaktorer lager strøm. Men dampen blir til vann igjen når den avkjøles og den er varm når den er i bruk. Trykkluft er også komprimert gass, men den komprimeres med en kompressor og er kald når den kommer ut og kondenserer ikke slik at den kan brukes på mange felt der damp ville vært upraktisk.

Trykkluft er ikke like effektivt som hydraulikk når det kommer til tungt maskineri, men har mange andre bruksområder og er en svært utbredt teknologi som brukes i transport, styresystemer, fjæringssystemer, robotikk, målesystemer og mye annet. Pneumatikk er også på mange områder "raskere" enn hydraulikk pga. lavere viskositet, mer om det senere.

Pneumatiske sylindre (Pneumatic actuators)

Hydrauliske sylindre (Hydraulic actuators)

Fundamentale prinsipper innen hydraulikk

Grunnprinsippene innen hydraulikk er ofte kreditert til den franske fysikeren Blaise Pascal, og som så mange vitenskapsmenn fra den tiden har han selvsagt en lov og enhet oppkalt etter seg.

Pascal's lov sier at en trykkendring som forekommer hvor som helst i et lukket system med ukomprimerbar væske sprer seg slik at det samme trykket er likt overalt i systemet.

Grunnprinsippene er:

1. Væsker former seg til beholderen

2. Væsker er praktisk sett ukomprimerbare

3. Væsker sprer trykk likt i alle retninger

View fullsize

 

Væsker former seg til beholderen

View fullsize

Væske vil spre seg likt ut til samme nivå og ut i alle kriker og kroker som væskens trykk overkommer.

Væsker er praktisk sett ukomprimerbare

Væsker komprimerer seg ca 1-1,5% under et trykk på 20000 kPa (kiloPascal). Hydraulisk olje, hvilket er det som stort sett blir brukt i slike systemer regnes for å være så godt som ukomprimerbar, samt at den smører systemet og hindrer korrosjon.

View fullsize

Væskens molekyler ligger pakket slik at de ikke lar seg pakke tettere. Økt trykk på systemet øker trykket, men væskens volum forblir det samme.

Væsker sprer trykk likt i alle retninger

Trykket i et hydraulisk system er likt overalt i systemet.

I flasken til høyre, som er et ofte brukt eksempel på Pascals lov, påføres det et trykk på korken. Dette trykket er likt i hele flasken pga. væsken.

Når en sylinder er koblet til en annen lik sylinder via en slange eller rør vil en volumendring i den ene sylinderen gi en lik volumendring i den andre sylinderen. Trykket i systemet vil være likt overalt.

Væsker er praktiske for å overføre kraft gjennom slanger og rør, gjennom hjørner og andre rare vinkler og veier.

View fullsize

Trykk-trekanten

View fullsize

Trykk i hydrauliske og pneumatiske systemer måles i Pascal.

• 1 Pascal er 1 Newton per kvadratmeter

• 1 Newton er kraften som trengs for å gi 1 kilo en hastighet på 1m/s på ett sekund

• 1 Kilogram er lik 9.80665002864 Newton, som er tyngdekraften til jorden. Dette blir vanligvis rundet av til 9,8 Newton, eller 10 om man er grov i målet .

• Trykk benevnes som oftest i kiloPascal (kPa)

• Trykk beskrives også i Bar. 1 Bar er lik 1 atmosfære (atm) (nesten; det er 1.01325 Bar) og er trykket ved havnivået

• 1 kPa er 1/100 Bar, altså er 1 Bar = 100 kPa eller 100 000 Pascal (10⁵ ). 1 MegaPascal (MPa), 1 million Pascal = 10 Bar

Formlene er som følger:

• Kraft = Trykk x Areal (F = p x A)

• Trykk = Kraft / Areal     (p = F / A)

• Areal = Kraft / Trykk     (A = F / p)

Det er litt forvirrende når vi er vant til metrisk at alle enheter er delelige på 1000 med hverandre or er direkte relaterte at 1 Bar er 100 000 Pa, men det får vi leve med.

I det imperiske system brukes PSI for å måle trykk som står for "pound-force per square inch" og jeg må ærlig talt innrømme at jeg er litt misunnelig på akkurat denne måten å benevne det på. Ja, Pascal gjør akkurat den samme jobben, mye bedre også siden den er en SI enhet, men med PSI er hele formelen oppgitt i enheten og enheten er kun et amalgam av de to variablene man behøver for å finne den;

• Kraft måles i pund hvor ett pund er 4.44822 Newton

• Areal måles i kvadrattommer hvor en tomme er 2,54 cm og en kvadrattomme er 0.00064516 m²

Atmosfærisk trykk og vekten av vann

I tillegg til trykket man tilfører hydrauliske og pneumatiske systemer er det som sagt et konstant trykk på alt som befinner seg på bakkenivå, kalt 1 atmosfære trykk. Luft veier ikke stort, men når man regner med all luften som befinner seg innen en søyle på 1 kvadratmeter fra bakken og opp til kanten av atmosfæren blir vekten betydelig, ca 10 tonn! Dette trykket som befinner seg på bakkenivå, og som vi alle opplever, kalles en standard atmosfære og er som sagt lik 101 325 Pa, ofte avrundet til 100 000 Pa, som er 1 Bar eller 14,7 PSI.

De fleste trykkmålere kompenserer for dette trykket og viser 0 kPa ved bakkenivå, altså standardtrykk. Trykket i et system som også tar hensyn til atmosfærisk trykk refereres til som absolutt trykk. Når trykket ved havnivået går under atmosfærisk trykk i et system kalles dette et vakuum, og absolutt vakuum vil tilsvare et absolutt trykk på 0 kPa.

Når man dykker er trykket på den dybden man dykker til ofte oppgitt i atmosfærer.

View fullsize

En kubikkmeter vann inneholder 1000 liter og veier da 1000 kg. 1 kubikkmeter vann utgjør en kraft nedover på 9806.650 Newton så med litt matte kan vi regne oss frem til at 1 atmosfæres trykk under vann oppstår 101 325 / 9806.650 = 10, 3 meter under vann. Så når vi befinner oss 10,3 meter under vann opplever vi 2 atmosfærer, vekten av luften pluss vekten av vannet over oss. 20,6 meter ned er da 3 atmosfærer, osv...

Så hvordan funker det i praksis?

Den fundamentale tredje egenskapen til hydraulikk og pneumatikk, at trykket sprer seg likt i alle retninger vil da si dersom man påfører et trykk i en væske vil trykket påføre størst kraft på den største overflaten. Trykket er likt overalt, men siden kraft = trykk X areal vil et større areal ha større kraftpotensiale.

View fullsize

Tegningen over et typisk eksempel for å forstå konseptet. En kraft F1, la oss si 50 N, trykker på stempel A1 som har en overflate eksponert til den hydrauliske væsken på 0,001 m², hvor stort trykk blir det i væsken?

View fullsize

Så hvis stempel A2 har et areal på 0,01 m², hva blir da kraften vi får ut i F2?

View fullsize

Vi ser at med en 10-dobling av arealet har vi 10-doblet kraften vi puttet inn i systemet. Dette er på mange måter det samme forholdet som gjelder for tannhjul. Et tannhjul som drives av et 10 ganger mindre tannhjul vil ha 10 ganger kraften som blir tilført det drivende hjulet, men det lille hjulet må gå 10 ganger rundt for at det store skal gå en gang rundt. Det samme gjelder hydrauliske systemer. Hvis man 10-dobler arealet får man 10 ganger kraften, men stempelet går bare 1/10 av distansen som det lille gjør. Så man må presse det lille stempelet 10 ganger så langt som den distansen man vil oppnå med det store.

Det motsatte er også sant som man kan observere på f.eks. sprøyter. Det krever en del trykk for å presse ut væsken, men den skyter ut fortere og mye lengre ut av kanylen enn det man presser på sprøyten.

En liten kraft over en lang avstand erstattes med en stor kraft over en liten avstand og vice versa.

Siden trykket i systemet er likt overalt vil et trykk på 1 Pa være 1 Newton per kvadratmeter, så når man får dette trykket til å trykke på noe som er 10 kvadratmeter vil trykket på den flaten være 10 Pa! Magi!

Så dersom jeg vil løfte en hel bil med en hydraulisk jekk, kun med min egen kroppsvekt, hvor bilen veier 1,5 tonn og jeg veier 65 kilo, hvor liten må sylinderen jeg står på være?

View fullsize

Vel, min kroppsvekt har en kraft på 637.432 Newton mot bilens 14709.975 N. Vi kan med en gang se at sylinderen må være (14709 / 637 = 23,1) hvertfall over 23,5 ganger mindre enn drivstempelet, som er 0,05 m², som gjør at den må bli 0,0022 m² eller mindre.

Stemmer det?

Med bare bilen på jekken påfører den et trykk på systemet på p = 14709.975 / 0,05 = 294,2 kPa. For at jeg skal oppnå det samme trykket må stempelet mitt være A = 637.432 / 294 200 = 0,0022 m². Jepp, det stemmer. Litt mindre så burde jeg ikke har noe problem med å løfte bilen.

Flyt og viskositet

Flyt i et hydraulisk system er bevegelsen av en mengde væske gjennom et punkt over en viss tid. Væsker er innelåst i slanger og rør i hydrauliske systemer, så flyt er væskens bevegelse gjennom disse.

Flyt (symbol Q) oppgis i liter per minutt (LPM) eller kubikkcentimeter per minutt (cm³/min) eller per sekund (cm³/sek).

Flyt = Areal (tverrsnitt) X Hastighet     (Q = A x V)

Det er viktig når dette regnes ut å bruke korrekt enhet og verdi på begge sider av ligningen; dersom arealet oppgis i cm² og hastigheten i m/sek må det gjøres om til cm/sek og resultatet blir i cm³/sek, osv...

View fullsize

View fullsize

Viskositet er "tykkelsen" til en væske og i hydrauliske systemer er lav viskositet ønskelig. Jo lavere viskositet en væske har, jo mindre energi kreves for at den skal endre form eller posisjon. En økning i viskositet i en væske vil øke tiden væsken bruker på å bevege seg fra punkt A til B med det samme trykket. Altså vil flyten synke.

Utregning av viskositet er et kapittel for seg selv og ikke rent ukomplisert, men det måles hovedsaklig i Pascal-sekunder, som, hvis jeg skal slakte definisjonen av, betyr at med et trykk på 1 Pa beveger væsken seg X meter på ett sekund. Alle væsker har positiv viskositet, null viskositet observeres kun i supervæsker ved svært lave temperaturer. Generelt sett er væsker regnet som viskose dersom de er betydelig tregere enn vann.

Yoghurt har høyere viskositet enn vann. Hadde du brukt yoghurt i et vanngevær ville det ikke skutt særlig langt.

Flyten i et hydraulisk system beskrives enten som laminar flyt eller turbulent flyt. Vi liker å tro at væske beveger seg i den retningen man dytter den uten større problemer, men væske er stort sett turbulent. Laminar flyt er god flyt og er ønskelig, men vanskelig å oppnå.

Det hjelper å ha avrundede kanter i systemet og unngå skarpe ≥ 90 grader retningsendringer.

View fullsize

For å beskrive punktet når en væske eller gass går fra å være laminar til turbulent etter at den kommer ut av "kilden" brukes noe som kalles Reynolds-nummer (Re), introdusert av Sir George Stokes, og popularisert av Osborne Reynolds.

Bernoulli's prinsipp, oppkalt etter Daniel Bernoulli, sier at; når hastigheten til en væske øker, synker trykket proporsjonalt. Se video under for demonstrasjon av fenomenet. Det er verdt å nevne at det er ikke teknisk sett et mediums hastighet som fører til en trykkendring, men hastighetsendringen i seg selv som fører til trykkendringen.

Når en væske beveger seg gjennom et system vil den opprettholde lik flyt. Så dersom den går fra et stort rør til et mindre, vil arealet synke, så for å opprettholde samme flyten må naturligvis hastigheten til væsken øke. Dette kalles kontinuitet og beskrives med:

Arealet ganger hastigheten i punkt 1 er lik arealet ganger hastigheten i punkt 2.

Når dette skjer synker trykket. Når væsken går fra et lite rør tilbake til et større rør skjer det motsatte, at hastigheten vil synke og trykket stige.

Dette er også kjent som Venturi-effekten som er en utnyttelse av Bernoulli’s prinsipp.

View fullsize

Bernoullis formel ser normalt sett slik ut:

View fullsize

Formelen leses slik: Når flyten er konstant er trykket pluss massen ganger tyngdekraften ganger høyden over bakken pluss massen ganger hastigheten i annen delt på to lik i to ulike punkter i samme systemlinje.

 

Trykk i komprimerbare systemer

Pneumatikk oppfører seg litt annerledes enn hydraulikk, siden gasser er komprimerbare.

Boyle's lov, oppkalt etter Robert Boyle, sier at; ved konstant temperatur er forholdet mellom trykk og volum konstant i et lukket system med komprimerbar gass. Altså, når volumet synker, øker trykket. Eller rettere sagt, i en trykkluftkompressor, nårru stapper mer luft inn i samme tanken fårru større trøkk.

View fullsize

Forholdet i Boyle's lov uttrykkes med: P x V = k der P er trykket og V er volumet og k er konstant.

Matematisk kan den brukes slik:

View fullsize

Eksempel på Boyle's lov og atmosfærisk trykk. Flasken ble fylt med luft høyt oppe der det atmosfæriske trykket er lavt og når den ble fraktet ned komprimerte det utvendig trykket volumet på beholderen for å utligne trykket og inni og utenfor.

 

 

I praksis, skjematikk og symboler

I bruk kan et enkelt hydraulisk system se slik ut:

View fullsize

1. Hydraulisk olje

2. Reservoar

3. Filter

4. Pumpe

5. Flytretningskontroll

6. Hydraulisk sylinder med stempel

7. Linjer (rør eller slanger)

8. Overtrykksventil

9. Kjøler

Her representerer de rød linjene væske under trykk og de grønne representerer returlinjene.

View fullsize

Den hydrauliske sylinderen fungerer ved å kontrollere flytretningen til oljen slik at den blir presset inn foran eller bak stempelet slik at det blir produsert henholdsvis minusbevegelse og plussbevegelse, der stempelet går inn og ut respektivt. Pascal's prinsipper blir her observert ved den lille innløpsporten som er mye mindre enn overflaten til stempelet og mangedobler kraften.

Systemet over kan tegnes skjematisk slik:

View fullsize

De skjematiske symbolene for hydraulikk og pneumatikk ble utviklet av ANSI og adoptert av ISO.

Skjematiske tegninger viser koblinger, flyt, og funksjon til komponenter. De indikerer ikke fysisk konstruksjon av komponenter eller verdier og trykk, posisjon av kontroller eller koblingspunkter. Symboler tegnes vanligvis i nøytral eller normal posisjon.

Typen drift og retningen på flyten indikeres med en liten trekant slik:

Systemlinjer som er koblet sammen og linjer som bare krysser hverandre er indikert slik:

View fullsize

Begge måter er riktig.

Andre grunnleggende symboler: