Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun perusteet

Transkriptio

1 Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun perusteet Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Valetun koneenosan suunnittelutiedostot (3D CAD mallit) rakentuvat kolmelle tasolle. Tasot ovat 1.) kappaleen rakennekonstruktio, 2.) valuun mukautettu kappalekonstruktio sekä 3.) koneistettu kappalekonstruktio. Kappaleen rakennekonstruktio on koneensuunnittelijan laatima suunnittelutiedosto. Kappale on mitoitettu siihen siten, että se täyttää lujuustekniset ja rakenteelliset vaatimukset. Valuun mukautettu kappalekonstruktio on rakennekonstruktiosta muokattu suunnittelutiedosto. Muokkaamisen tavoitteena on tehdä kappaleesta hyvin valettava. Koneistettu kappalekonstruktio on valuun mukautetusta kappalekonstruktiosta muokattu suunnittelutiedosto. Koneistetun kappalekonstruktion tulisi sisältää kappaleen malli siten kuvattuna, että siitä voi suoraan laatia työstöradat CAM ohjelmiston avulla. Eri mallinnustasot voi laatia yhteen tiedostoon peräkkäisiksi piirteiksi, piirreryhmiksi tai esimerkiksi konfiguraatioiksi. Kokonaisuudet voi mallintaa myös erillisiin, toisiinsa linkitettyihin tiedostoihin. Käytännön menettely riippuu yrityksessä omaksutuista toimintatavoista ja käytössä olevista ohjelmistoista. Jos valettua kappaletta suunnitellaan yhteistyössä usean toimijan kesken, on tarpeen pitää kunkin osapuolen suunnittelutieto erillään, mutta sellaisessa muodossa, että se päivittyy suunnittelijalta toiselle. Suunnitteluyhteistyö on erityisen tärkeää painovoimaista syöttöä käyttävissä menetelmissä, koska niissä voidaan joutua hakemaan parasta mahdollista valuasentoa ja jakopintojen paikkaa pitkäänkin. Hiekka ja kokillivalukappaleisiin voidaan tarvittaessa konstruoida useita jakopintoja. Olennaista on, että: muutoksia on mahdollista tehdä joustavasti ja riittävän pitkään malliin tehdyt muutokset päivittyvät luotettavasti kaikkiin linkitettyihin tiedostoihin tai konfiguraatioihin muutokset eivät aiheuta kovin suuria ongelmia, korjaustarvetta ja uudelleen mallintamista valukappaleen mallissa tai yksittäisissä piirteissä koneensuunnittelijan mitoittamaan rakenteelliseen malliin on mahdollista palata helposti, jos joistain yksityiskohdista tulee erimielisyyttä valetun kappaleen mallin, koneistetun mallin ja rakenteellisen mallin vertaileminen on helppoa Kappaleen rakennekonstruktio Kappaleen rakennekonstruktio on koneen osan malli sellaisena kuin koneen tai laitteen suunnittelija sen laatii. Siihen on tehty alustavia lujuustarkasteluja, merkitty toiminnalliset päämitat ja tehty nurkkapyöristyksiä kohtiin, joilla on lujuusteknistä merkitystä. Kappaleen rakennekonstruktiossa ei tarvitse olla vielä päästöjä tai muita valuteknisiä muotoiluja. Sen suunnittelijan ei välttämättä tarvitse ottaa lainkaan kantaa valmistusmenetelmän tai materiaalin valintaan. Sama osa voidaan periaatteessa valmistaa esimerkiksi hitsaamalla, koneistamalla, takomalla tai valamalla. Jos valmistusmenetelmän valinnassa päädytään valamiseen, materiaaleina voi tulla kysymykseen valurauta, teräs, pronssit, messinki, alumiiniseokset, sinkkiseokset, magnesiumseokset, jokin tekninen muovilaatu tai jokin valtamuoveista. Valumenetelmiäkin on lukuisia. Materiaalin ja menetelmän vaatimukset otetaan huomioon seuraavalla suunnittelutasolla eli vai Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 1

2 heessa, jossa kappaleen rakennekonstruktio mukautetaan valittuun valmistusmenetelmään ja valitulle valmistusmateriaalille. Kuva 1 Kappaleen rakennekonstruktio, jossa on kaksi lujuusteknistä pyöristystä. Kaikki loput nurkat ovat pyöristämättömiä. Tähän malliin aloitetaan mukauttaminen valittua valmistusmenetelmää ja materiaalia varten. On hyvä, jos suunnittelija tietää jo varhaisessa vaiheessa suunnittelevansa valettavaa kappaletta ja hyvin usein asia onkin ilmeinen. Valaminen valmistusmenetelmänä vaikuttaa mallinnettavien piirteiden järjestykseen ja mallinnuksen logiikkaan. Valettavaksi tarkoitetun kappaleen rakenteellinen malli tulisi laatia hyvää, erityisesti valetuille kappaleille sopivaa piirremallinnustapaa noudattaen. Hyvään piirremallinnustapaan kuuluu esimerkiksi, että malli päivittyy vähällä työllä, jos sen perusmuotoa tai mittoja muutetaan. Hyvään valetun kappaleen piirremallinnustapaan kuuluu lisäksi seuraavia periaatteita. Kaikki valumenetelmät. nurkkapyöristyksiä ei käytetä muiden piirteiden pohjana kaikki nurkkapyöristykset ja viisteitykset on mallinnettu peräkkäin viimeiseksi, jolloin päästöjen mallintaminen tulee sujumaan helposti suunniteltavan osan muodosta on jo hyvin varhaisessa vaiheessa tunnistettu jakopinnan paikka piirteitä pyritään mallintamaan jakopinnasta ylös ja alaspäin siten, että kappaleeseen tulee mahdollisimman vähän, mieluiten ei lainkaan vastapäästöjä Valumenetelmät, joissa voidaan käyttää hiekkakeernoja. Näissä sisäpuolisten, keernalla muotoiltavien pintojen jakopinta ja päästöt määräytyvät keernalaatikon aukeamissuunnan mukaan. Hiekkakeernoja käytetään hiekka, kuorimuotti, kokilli ja matalapainevalussa. Hiekkamuoteissa ja kokilleissa voi olla useita jakopintoja. sisäpuoliset muodot suunnitellaan piirteinä siten, että niihin on helppo hahmotella keerna, keernalaatikko ja päästöt keernalaatikon aukeamissuuntaan; sisäpuolisia muotoja ei pitäisi mallintaa harkitsemattomasti Shell tms. piirteellä Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 2

3 Valuun mukautettu kappalekonstruktio Mukauttaminen aloitetaan selvittämällä valamisen vaatimukset ja tekemällä tarpeelliset muutokset: tutkitaan kappaleen syötettävyys ja/tai valumateriaalin kulkureitin muodot haetaan kappaleen valuasento sekä syöttöjen ja kanavien paikat edellisen perusteella tutkitaan muodostuuko hiekkavalukappaleeseen ohuita hiekkapatsaita ja tehdään tarvittaessa muutoksia rakennekonstruktioon yhteistyössä koneensuunnittelijan kanssa tutkitaan mahdolliset kuumat kohdat ja laaditaan tarvittaessa kevennyksiä yhteistyössä koneensuunnittelijan kanssa tutkitaan nurkkapyöristykset erityisesti valettavuuden näkökulmasta ja tehdään niihin tarvittavia muutoksia yhteistyössä koneensuunnittelijan kanssa Valettavuuden suhteen parannettuun kappalekonstruktioon laaditaan muotin valmistuksen ja/tai kappaleen muotista poistamisen vaatimat ominaisuudet: mallinnetaan työstettäviin pintoihin työstövarat tehdään a) päätös poistaa kappalekonstruktiossa oleva reikä valusta, jolloin se pursotetaan umpeen tai asetetaan ei aktiiviseksi tai vaihtoehtoisesti b) päätös valmistaa reikä valuun keernalla, jolloin siihen lisätään työstövara ulkopuolisten muotojen päästöt jakopinnalta ylös ja alaspäin (tai oikealle ja vasemmalle, eteen ja taakse, jos jakopinnat ovat pystysuorassa); vaihe toteutetaan sen jälkeen, kun jakopinnan paikka ja valuasento on valittu valuteknisten vaatimusten perusteella keernojen tunnistaminen ja erottaminen kappaleesta; keernakantojen mallintaminen hiekkavalukappaleeseen keernapintojen päästöjen mallintaminen muotin tai keernalaatikon avautumissuunnan perusteella mallin tai muotin valmistuksen kannalta merkityksellisten pyöristysten mallintaminen Kappaleen valuasento ja päästöt Kappaleen valuasennon määräämiseksi tutkitaan kappaleen seinämänpaksuudet ja massiiviset kohdat. Jos valumenetelmäksi on valikoitunut jokin painovoimaista syöttöä käyttävä menetelmä, pyritään asettamaan kappale siten, että sen paksut seinämät ovat ylimpänä ja kaikki kohdat ovat syötettävissä. Tämän jälkeen valitaan jakotason paikka ja mallinnetaan päästöt sen mukaan. Valu ja kaavausmenetelmästä riippuen jakopinnat ovat joko pysty tai vaakasuorassa. Jos menetelmän valinta ei ole täysin selvillä, on suositeltavaa neuvotella valimoiden tai valuasiantuntijoiden kanssa. Sisäpuoliset päästöt mallinnetaan keernalaatikon avautumissuunnan perusteella. Painovoimaista syöttöä käyttäviä menetelmiä ovat hiekkavalu, kuorimuottivalu, kokillivalu, tarkkuusvalu ja kaikki muutkin keraamimuottimenetelmät sekä matalapainevalu joiltain osin. Jos valumenetelmäksi on valikoitunut jokin paineellinen menetelmä, kappale pyritään asettamaan siten, että se voidaan syöttää kanavien kautta mahdollisimman esteettömästi sekä siten, että kanavista on mahdollisimman esteetön reitti valumateriaalin virrata muottipesän läpi. Paineellisissa menetelmissä käytetään muottia, jossa on tyypillisesti vain yksi jakopinta. Vastapäästöt toteutetaan liikkuvilla metallikeernoilla. Jakopinnan paikka ja mahdolliset liikkuvat keernat huomioidaan valuasennon valinnassa. Kun valinnat on tehty, mallinnetaan päästöt jakopinnalta ylös ja alaspäin siten, että kappale voidaan poistaa muotista sekä liikkuvien keernojen liikesuuntiin siten, että keerna on mahdollista vetää pois kappaleen sisältä. Paineellisia menetelmiä ovat esimerkiksi painevalu, painevalun sovellukset ja muovien ruiskuvalu. Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 3

4 Päästöt mallinnetaan mieluiten käytössä olevan 3D CAD ohjelmiston päästötyökalulla. Tällöin ne ovat erillisiä piirteitä ja erottuvat suunnittelutiedoston piirrepuussa selvästi koneensuunnittelijan mallintamasta rakennekonstruktiosta. Erillisinä piirteinä päästöt ovat helposti muokattavissa. Niihin voi myös tehdä selkeästi havaittavia merkintöjä, joilla osoitetaan aikaisempiin mallinnustiedostoihin tehdyt muutokset. Päästön suunta on useimmiten positiivinen eli se mallinnetaan siten, että seinämänpaksuus kasvaa (Kuva 2). Negatiivinen päästö olisi nopeampi ja yksinkertaisempi mallintaa 3D CAD ohjelmistolla, mutta silloin seinämänpaksuus pienenee ja kappaleen lujuus heikkenee (Kuva 3). a) Laipan positiivinen päästö tehdään aluksi jakotason alapuolelle siten, että laipan alapuolelle on mallinnettu aputaso, jota käytetään saranana. Laipan keskelle muodostuu porras. b) Seuraavaksi tehdään päästö jakotason yläpuolelle käyttäen saranana aputasoa, joka on mallinnettu laipan yläpuolelle täsmälleen yhtä kauas jakotasosta kuin laipan alapuolella oleva jakotaso. Kuva 2 Esimerkki, jossa tehdään laippaan positiivinen päästö SolidWorks ohjelmistolla. Esimerkissä oleva laippa on symmetrinen. Ei symmetrisiin muotoihin voi mallintaa päästön samalla tavalla, mutta silloin toisen puolen aputasoa ei voi mallintaa muotoon kiinni. Jotta päästöt eivät muodostaisi porrasta kappaleen jakotasolle, saranana käytettyjen tasojen on oltava molemmilla puolilla täsmälleen yhtä kaukana jakotasosta. Päästön voi mallintaa myös pursottamalla, jos päästötyökalun käyttö tuottaa hankaluuksia. Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 4

5 Kuva 3 Negatiivinen päästö on nopeampi mallintaa. Päästötyökalun saranaksi asetetaan jakotaso. Aputasoja ei tarvita. Tällöin muoto kuitenkin kapenee jakotasolta poispäin, mikä ei useimmiten ole toivottava tilanne. Joissain ohjelmistoissa on mahdollista mallintaa päästöt suoraan piirteen sisälle, esimerkiksi pursotettuun muotoon tai ripaan. Ominaisuutta voi hyödyntää, jos valettavan kappaleen suunnittelija mallintaa suoraan päästöllistä muotoa. Muovikappaleiden tapauksessa on hyvin tavallista, että suunnittelija muotoilee suoraan esimerkiksi ruiskuvalettavaksi tarkoitettua muotoa, jossa päästöt ovat mukana. Valettujen koneenosien kohdalla ero rakennekonstruktion ja valuun mukautetun konstruktion välillä on selvempi. Koneenosille tehdään usein lujuusteknisiä tarkasteluja. Osan suunnittelija on tietyn konekonstruktion suunnittelun asiantuntija, ei välttämättä valutekninen asiantuntija. Kevennykset, ohuet hiekkapatsaat ja nurkkapyöristykset Kevennysten, ohuita hiekkapatsaita tuottavien muotojen, liian teräviksi muotoiltujen nurkkapyöristysten ja muiden kappaleen valettavuutta heikentävien kohteiden tunnistaminen ja muuttaminen täytyy aina tehdä yhteistyössä kappaleen rakennekonstruktion suunnitelleen henkilön kanssa. Kaikilla luetelluilla muodoilla on taipumus tuottaa valuvikoja ja/tai heikentää valumetallin virtausta muotin sisällä. Valutekniset muutokset voivat vaikuttaa lujuuksiin kriittisillä alueilla, joten yhteistyö on tärkeää. Paksuja kohtia voidaan joissain tapauksissa korvata rivoituksilla. Useimmat valumetallit ovat enemmän tai vähemmän seinämäherkkiä. Seinämän paksuntaminen ei aina tuo toivottua lisää lujuuteen. Rivoitus on oikein tehtynä hyvä vaihtoehto, mutta väärin tehtynä rivoitus voi jopa heikentää rakennetta. Työstövarat ja reikien poistaminen Työstövarat mallinnetaan mieluiten erillisinä piirteinä, jotta niitä on helppo tarkastella ja muuttaa myöhemmin. Reiät poistetaan valuun mukautetusta mallista pursottamalla ne umpeen tai esimerkiksi passivoimalla (Suppress) reiän tuottava piirre. Kuva 4 Pursotettu läpireikä laipassa. Tee reilu pursotus. Tällä tavoin pursotus ulottuu koneistetun kappaleen mallissa päästetyn muodon ylitse. Korjauksia ei tarvita. Yksinkertainen piirteen passivointi valuun ja aktivointi koneistettuun kappaleeseen riittää. Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 5

6 Pienihalkaisijaiset reiät, esimerkiksi kierteityksen alkureiät ja pulteille tarkoitetut läpireiät poistetaan hiekkavaluista aina ja muissa valumenetelmissä painevalua ja muovien valumenetelmiä lukuun ottamatta lähes aina. Suurempihalkaisijaiset reiät voi valmistaa keernoilla. Keernalla valmistettavissa oleva reiän pituus/halkaisija suhde riippuu valumenetelmästä. Kuva 5 Työstövara mallinnetaan erillisenä pursotuksena koneensuunnittelijan mallintaman rakennekonstruktion päälle. Tällä tavoin työstövaran suuruutta on helppo muuttaa myöhemmin ja alkuperäinen mitta säilyy koskemattomana. Koneensuunnittelijan on myöhemmin helppo tehdä haluamiaan tarkistuksia ja muutoksia. Pyöristykset Pyöristyksiä käytetään kolmesta eri syystä: Koneensuunnittelija voi haluta pyöristää muodon lujuusteknisistä syistä. Pyöristys asetetaan tällöin useimmiten sisänurkkaan (Kuva 1). Suunnittelija, joka mukauttaa kappaleen rakennekonstruktiota valua varten, voi haluta tehdä valuteknisiä pyöristyksiä. Kappaleen terävät sisänurkat pyöristetään usein, koska ne haittaavat sulan virtausta. Ne myös kuumenevat muotissa. Jotta seinämänpaksuus pysyisi tasaisena, pyöristetään usein samalla myös kappaleen ulkonurkat. Kappaleen terävät ulkonurkat hankaloittavat kestomuotin valmistusta, koska muotin valmistaja joutuu käyttämään tarpeettoman pienisäteisiä työkaluja muottipesiä jyrsiessään. Kappaleen rakennekonstruktiota mukauttava suunnittelija voi haluta pyöristää ulkonurkkia muotin valmistajan työtä helpottaakseen. Pyöristykset mallinnetaan aina peräkkäin ja viimeiseksi yhdessä viisteitysten kanssa. Jos koneensuunnittelija on mallintanut pyöristyksiä kappaleen rakennekonstruktioon, seuraavissa suunnitteluvaiheissa piirrepuu aktivoidaan näiden pyöristysten yläpuolelta ja kaikki uudet piirteet lisäpyöristyksiä lukuun ottamatta mallinnetaan vasta sitten. Lisäpyöristykset mallinnetaan peräkkäin piirrepuun hännille. Koneistettu kappalekonstruktio Mallinna koneistukset leikkaamalla työvarat pursotuksin pois ja aktivoimalla reiät takaisin. Päästöt jäävät osaksi kappaletta. Päästöt muuttavat kappaleen muotoa jonkin verran, joten muiden kuin reikien koneistuksia ei kannata mallintaa piirteitä passivoimalla ja aktivoimalla. Reikiin tulee tässä vaiheessa usein lisää yksityiskohtia, esimerkiksi taso aluslaattaa varten ja reunaviisteitys. (Kuva 6) Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 6

7 a) b) Kuva 6 Sama kappale koneensuunnittelijan mallintamassa ilmiasussa a), valuun mukautettuna b) ja koneistetun kappaleen mallina c). Koneistetun kappaleen mallista voi havaita, että laipan yläpuoli on tullut keskiosasta hieman paksummaksi kuin edestä ja takaa. Paksuneminen johtuu laipan päästöistä. c) Valetun koneenosan 3D CAD suunnittelun periaatteet 7