Taonta

Taonta eli takominen tarkoittaa venyvän metallin, usein teräksen muokkaamista iskemällä toistuvasti esimerkiksi vasaralla tai käyttämällä muuta puristusvoimaa. Tavallisesti metalli kuumennetaan. Tarkoituksena on muuttaa muotoa, mutta myös vaikuttaa kiderakenteeseen lujuuden parantamiseksi. Kuumataonnassa metalli kuumennetaan hehkuvaksi, mutta ei kuitenkaan nestemäiseksi, jolloin metalli on muokattavissa helposti ilman suurta murtumisen vaaraa. Kylmätaonta suoritetaan huoneenlämmössä tai lähellä sitä, lämmintaonta puolestaan näiden lämpötilojen välisellä alueella. Taottavien kappaleiden massa voi vaihdella muutamista grammoista 170 tonniin. Takomalla valmistetut kappaleet tarvitsevat useimmiten jatkomuokkausta ennen lopullista käyttövalmiutta.
Historia.
Taonta on eräs vanhimmista tunnetuista metallin työstömenetelmistä. Perinteisesti sepät ovat harjoittaneet taontaa käyttäen ensisijaisina työkaluina pajavasaraa ja alasinta. Metallin kuumentamiseen on puolestaan käytetty ahjoa, joka lämmitetään joko kivi- tai puuhiilellä. Vesivoimaa hyödyntäviä sepänpajoja alettiin rakentaa keskiajalla 1100-luvulla. Nykyisin käsityösepät käyttävät hiiliahjon lisäksi myös sähkö- ja kaasukäyttöisiä ahjoja.
Teollistumisen myötä perinteistä sepän ammattia harjoittavien määrä kuitenkin romahti, mutta sepän ammatti on viimeisten vuosikymmenten aikana elpynyt merkittävästi käsityöläisammattien arvostuksen kasvaessa. Nykyisin Suomessa on noin 300 ammattiseppää ja muutama sata harrastelijaa. Tonneissa mitattuna käsityönä tehdyn taonnan määrä on silti edelleen marginaalinen verrattuna teollisen taonnan tuotantomääriin. Teollisuuden tarpeisiin taottavien tuotteiden tekoon käytetään prässejä tai vasaroita, jotka voivat toimia paineilmalla, sähköllä, tai höyryllä tai olla hydraulisia. Höyrykäyttöiset laitteet ovat tosin vähitellen poistumassa käytöstä. Nämä vasarat ovat suurikokoisia, edestakaisin liikkuvat osat voivat painaa useita satoja kiloja. Pienikokoisemmat konevasarat ovat teollisuuslaitosten lisäksi yleisiä myös taide- ja hopeaseppien käytössä.
Edut ja haitat.
Takomalla valmistetut tuotteet ovat kestävämpiä kuin valamalla tai koneistamalla tuotetut. Tämä johtuu taonnan synnyttämästä kuituisesta rakenteesta muokattavan kappaleen sisällä. Taottaessa metallin raerakenne muuttuu siten, että rakeet seuraavat kuidunomaisesti kappaleen muotoa. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi suunniteltaessa kappaleita, joiden lujuus/paino-suhteen tulee olla hyvä rakenteen suunnassa. Lujuus onkin usein jopa 20 prosenttia parempi kuin muilla menetelmillä valmistettuna.
Useita metalleja taotaan kylmänä, mutta rauta ja sen seokset taotaan lähes poikkeuksetta kuumataontana. Tähän on kaksi syytä: jos prosessin aikana pääsisi tapahtumaan muokkauslujittumista, jo valmiiksi lujat materiaalit kuten rauta ja teräs muuttuisivat nopeasti äärimmäisen hankalasti muokattaviksi. Toisekseen on huomattavasti taloudellisempaa ensin kuumatakoa kappale ja sen jälkeen lujittaa se lämpökäsittelyiden avulla, kuin tehdä käsittely kylmämuokkauksena. Seokset, jotka ovat erkaumakarkenevia, kuten useimmat alumiinin ja titaanin seokset, voidaan lujittaa erikseen kuumataonnan jälkeen. Muille materiaaleille lujittumisen on tapahduttava taonnan aikana.
Kuumataonta.
Kuumataonnaksi on määritelty metallin työstäminen sen rekristallaatiolämpötilaa korkeammassa lämpötilassa. Ensisijainen etu kuumataonnassa on se, että kun metallia muotoillaan, muokkauslujittumisesta aiheutuva lujuuden kasvu kumoutuu rekristallaation vaikutuksesta.
Kylmätaonta.
Kylmätaonnaksi määritellään metallin työstäminen lämpötilassa, joka on pienempi kuin sen rekristallaatiolämpötila. Kuitenkin taonta tehdään yleensä huoneenlämmössä. Mikäli työstölämpötila on korkeampi kuin 0,3 kertaa materiaalin sulamispisteen lämpötila (absoluuttisella asteikolla eli kelvineissä), puhutaan lämmintaonnasta.
Menetelmät.
Perinteisen taonnan perustekniikoita on katsantokannasta riippuen 7-9. Näitä tekniikoita yhdistelemällä taonnan menetelmien määrä kasvaa entisestään.
Vapaataonta.
Avotaonta tai vapaataonta tarkoittaa metallin muokkaamista taonnan perinteisen merkityksen mukaisesti. Vapaataonnassa kappaletta muotoillaan iskemällä sitä vasaralla paikalleen kiinnitettyä alasinta vasten. Menetelmän nimi tulee kuvaavasti siitä, että muokattava esine ei ole suljettuna muottien sisään, vaan materiaali pääsee vapaasti muotoutumaan muihin kuin vasaran ja alasimen kosketuspintojen suuntiin. Tämän vuoksi sepän tai teollisen taonnan tapauksessa koneenkäyttäjän on siirreltävä taottavaa kappaletta haluttuun paikkaan ja kulmaan alasimeen nähden, jotta haluttu muoto saavutetaan. Vapaataonnassa työkalujen iskupinnat ovat useimmiten sileitä, mutta erikoistyökaluja voidaan käyttää tarvittaessa. Meisti voi tällöin olla muodoltaan esimerkiksi kovera, kupera tai teräväreunainen katkaisuterä.
Vapaataonta soveltuu erityisesti taideseppien käyttöön sekä tilaustöiden tekoon. Muutoin vapaataontaa käytetään enimmäkseen kappaleiden esimuokkaukseen myöhempää käsittelyä varten tai lujuuden nostamiseen materiaalissa ennen varsinaista muokkausta.
Muottitaonta.
Suurin osa teollisesti valmistetuista taoksista tuotetaan muottitaonnalla sen edullisuuden vuoksi. Muottitaonnassa muokattava metalli asetetaan halutun muodon mukaiseen muottiin, joka on kiinnitetty alasimeen. Yleensä myös vasara on vastaavasti muotoiltu. Kun kappaletta isketään vasaralla, materiaali muotoutuu ja täyttää muotin onkalot. Taottavan esineen koosta ja muotojen monimutkaisuudesta riippuen kappaletta voidaan iskeä nopeasti useita kertoja halutun muodon varmistamiseksi. Kullakin kerralla vasara on kosketuksissa kappaleeseen yleensä vain muutamia millisekunteja. Liika metalli puristuu ulos muotin osien väliin jäävästä raosta muodostaen purskeen, joka jäähtyy huomattavasti muuta kappaletta nopeammin ja on näin ollen muotin sisään jäänyttä metallia kovempaa, joten se estää purskeen kasvua. Purske myös lisää painetta muotin sisällä, ja paine pakottaa jäljelle jääneen materiaalin muotin onkaloihin. Taonnan jälkeen purske poistetaan.
Teollisessa muottitaonnassa kappaleen taonta tehdään yleensä vaiheittain, jolloin kappaletta siirretään muotista toiseen aihion muovaamiseksi lähemmäs lopullista muotoa. Ensimmäinen muotti muotoilee kappaletta alustavasti haluttuun muotoon. Tämän jälkeen jokainen eri muotti tekee kappaleesta yhä enemmän lopullista tuotetta muistuttavan version. Näin metalliin voidaan tehdä huomattavan suuria taivutuksia, jyrkkiä kulmia ja pyöristyksiä. Kappaleen viimeistelyyn voidaan käyttää omaa muottia, mutta usein on rahallisesti kannattavampaa tehdä viimeistely koneistamalla tai muilla keinoin.
Muottitaonnassa on tapahtunut huomattavaa kehitystä viime vuosina lisääntyneen automaation vuoksi. Nykyisin koneellisesti tehdyt lämpökäsittelyt ja kappaleiden asennon muuttaminen ja siirrot muotista toiseen sekä materiaalin syöttäminen laitteisiin on aiempaa helpompaa.
Yksi muottitaonnan muoto on suljettu muottitaonta, jossa muottionkalot ovat täysin suljettuja, jolloin purskeiden muodostuminen estyy. Menetelmä säästää materiaalia, sillä tavallisessa muottitaonnassa purskeina hukkaan menevän metallin osuus on yleensä 20–45 % tarvittavasta materiaalin kokonaismassasta. Haittapuolena on lisääntynyt voitelun tarve sekä muottien suunnittelun ja valmistuksen monimutkaisuudesta johtuva kulujen kasvu. Kuitenkin yksittäisen valmiin kappaleen tekeminen on muuttunut halvemmaksi tuotantomäärien kasvaessa. Tämän vuoksi suljettua muottitaontaa käytetään nykyään usein työkalu- ja autoteollisuuden tarpeisiin. Nämä teollisuuden alat käyttävät taoksia myös niiden hyvän lujuus/paino-suhteen vuoksi.
Muottitaonta on myös osana useita muita metallien muokkausprosesseja. Kappale voidaan esimerkiksi esimuotoilla valamalla, jonka jälkeen vielä kuumaa metallia taotaan yksityiskohtien tuottamiseksi. Tämän jälkeen purskeet hiotaan pois ja kappale sammutetaan huoneenlämpöön, jolloin kovuus kasvaa.
Työkalut, joita muottitaonnassa käytetään, valmistetaan yleensä runsasseosteisesta tai työkaluteräksestä, sillä niiden on oltava hyvin kulumisenkestäviä, siedettävä nopeita, voimakkaita lämpötilan vaihteluita sekä kestettävä hyvin iskuja.
Tyssäys.
Valmistettujen kappaleiden määrissä mitattuna yleisin teollisen taonnan käyttämä menetelmä. Tyssäyksessä kappaleen poikkileikkausta kasvatetaan lyömällä sitä kasaan päistään, jolloin kappaleen pituus lyhenee. Tyssäämällä valmistetaan esimerkiksi moottorien venttiileitä, kytkimiä, pultteja, ruuveja ja muita kiinnikkeitä.
Tyssäyksen lähtömateriaalina käytetään useimmiten metallilankaa tai -sauvoja, mutta jotkin työstöön käytettävät laitteet pystyvät käyttämään materiaalina jopa halkaisijaltaan 25 cm olevia ja massaltaan yli 1000 tonnin painoisia metallitankoja. Tyssättäviä esineitä suunniteltaessa on otettava huomioon, ettei muokattavan kappaleen halkaisijaa voida kasvattaa kohtuuttomasti. Prosentuaaliset rajat muokkaukselle ovat materiaalikohtaisia.
Prässitaonta.
Prässitaonta poikkeaa muotti- ja vapaataonnasta lähinnä siten, että aika, jonka muotit ovat kosketuksissa työstettävään kappaleeseen, on huomattavasti pidempi: useita sekunteja millisekuntien sijaan. Tässä menetelmässä muotit pusertavat metallin vähitellen muotoonsa. Merkittävin etu prässitaonnasta onkin, että myös kappaleen sisäosissa tapahtuu muokkautumista ja lujittumista toisin kuin muottitaonnassa, jossa muokkautuminen tapahtuu lähinnä kappaleen pinnalla.
Välineet.
Tyypillisimmin taonnassa käytetään vasaraa ja alasinta. Samalle periaatteella toimivat myös nykyisin yleisessä käytössä olevat pudotusvasarat. Laitteen toimintaperiaate on hyvin yksinkertainen: kone nostaa vasaran, jonka se sitten pudottaa alasimelle sijoitetun kappaleen päälle. Laitteet ovat usein hyvin suurikokoisia sillä koneen ja sen perustusten on pystyttävä vaimentamaan käytön aiheuttamat voimakkaat iskut. Taontaan voidaan käyttää myös laitteita, joissa sekä vasaraa että alasinta vastaavat osat liikkuvat muokattavaa kappaletta vasten. Tämän vuoksi koneen on mahdollista toimia vaakatasossa, jolloin koneenperustusten ei tarvitse olla yhtä tukevat, sillä käytöstä aiheutuva värähtely ei ole yhtä voimakasta kuin pudotusvasaroissa. Ne tuottavat myös vähemmän ylimääräistä lämpöä ja melua.
Tämän lisäksi esimerkiksi tyssäyksessä ja rullataonnassa tarvitaan omia, erityisesti niitä varten suunniteltuja laitteita.