- ValuAtlas & TREDU Muotinvalmistustekniikka R. Keskinen, P. Niemi

Transkriptio

1 33. Valumenetelmiä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Kuorimuottimenetelmä Kuorimuotti- eli croningmenetelmässä käytetään erikoista hartsisideaineella päällystettyä juoksevaa hienoa hiekkaa. Malli, joka on valmistettu metallista, kuumennetaan C:n lämpötilaan. Hartsipitoinen hiekka joko puhalletaan tai pudotetaan kuuman mallin päälle, jolloin hartsi sulaa lämmön vaikutuksesta ja mallin pinnalle muodostuu kuori, jonka paksuus on 5 15 mm. Kuori kovetetaan koneessa olevassa uunissa kuumentamalla, minkä jälkeen se irrotetaan mallista. Muotti muodostetaan liimaamalla ylä- ja alapuolta vastaavat kuoret vastakkain. Kuva 326. Kuorimuottikaavauksen periaate. a) b) ja c) Kuumennettu mallilaatta käännetään hiekkasäiliön päälle. d) Hiekkasäiliö käännetään ylösalaisin, jolloin mallilaatan lähellä oleva hartsihiekkakerros kovettuu. e) Mallilaatta ja hiekkasäiliö käännetään alkuasentoon, ja ylimääräinen hiekka putoaa muottikuoren päältä pois. f) Mallilaatan pintaan kovettunut hiekkakerros lujitetaan paistamalla. g) Valmis muotinpuolikas irrotetaan mallilaatasta. h) Muotinpuolikkaat liitetään toisiinsa ja asetetaan soran tukemana kehyksiin, jossa varsinainen valu suoritetaan. 1. mallilaatan kuumennus 2. hartsattu hiekka 3. mallilaatta 4. kuori 5. kuoren paisto 6. kovettuneen kuoren irrotus mallilaatasta 7. valusenkka 8. kehys ja 9. sora. Valaminen tapahtuu muotin ollessa joko vaaka- tai pystyasennossa. Pystyasennossa tuetaan muotin seinämät metallin aiheuttamaa hydrostaattista painetta vastaan latomalla kuorimuotit erikoiseen valulaatikkoon, jossa niiden välit täytetään soralla (Kuva 328). Kuva 327. Sylinterin kuorimuotin puolikkaat. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 115

2 Suurien mallikustannusten vuoksi kuorimuottimenetelmä sopii vain suuriin, muutamista sadoista kappaleista ylöspäin valmistettaviin sarjoihin. Menetelmää käytetään erityisesti monimutkaisiin ja mittatarkkoihin kappaleisiin. Tavallisin kappalekoko on alle 10 kg, muuta 150 kg painoisiakin kappaleita on valettu. Valu keraamisiin muotteihin Tarkkuusvalumenetelmässä tarvitaan metallimuotti, jonka avulla valmistetaan valettavia kappaleita vastaavat vahamallit. Useita vahamalleja kiinnitetään ns. rypäleeksi, jonka oksat ja runko muodostavat lopullisen tarkkuusvalumuotin valukanaviston (Kuva 329). Rypäleen päälle muodostetaan kuori kastamalla se useita kertoja nestemäiseen keraamiseen ja tulenkestävään massaan. Kastojen välillä ripotellaan muodostuvan kuoren päälle tulenkestävää jauhetta. Mitä paksumpi kuori halutaan muodostuvan, sitä useammin kasto toistetaan (Kuva 329 vaiheet 1). Keraamisella aineella päällystetty rypäle siirretään uuniin, jossa kuori kuivataan ja vaha sulatetaan pois muotista (Kuva 329 vaihe 2). Kuva 328. Jotta keraamisen kuoren lujuus edelleen lisääntyisi, kuumennetaan se yli 1000 C:n lämpötilaan. Näin saatu valmis muotti valetaan (Kuva 329 vaihe 3). Kappaleen jäähdyttyä kuori rikotaan ja valettu rypäle viedään jälkikäsittelyyn. Tarkkuusvalumenetelmä sopii pienille monimutkaisille kappaleille, painoltaan muutamista grammoista aina 10 kg:aan asti. Nimensä mukaisesti menetelmällä saadaan mittatarkkoja ja sileäpintaisia kappaleita. Tämän vuoksi työstötavarat voivat olla hyvinkin pieniä, ja joskus ne voidaan jättää pois kokonaan. Keernoja ja hellityksiä ei kappaleissa tarvita. Metallimuotin takia muottikustannukset nousevat suuriksi, joten pienien sarjojen valmistaminen ei ole taloudellista. Kuva 329. Häviävää vahamallia käyttävän tarkkuusvalun (Lost-Wax-Method) periaate: a) vahamallin valmistus. 1) keraamikuoren muodostaminen kastamalla ja täyteainetta sirottamalla 2) vahan poisto ja kuoren sintraus uunissa 3) valu. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 116

3 Replicast-menetelmä on edellä esitetyn vahatarkkuusvalun kaltainen, mutta malli valmistetaan polystyreenimuovista, joka poltetaan kuorrutuksen jälkeen pois. Valukappaleet ovat huomattavasti suurempia, kg, mutta menetelmällä on valettu jopa 900 kg painavia valoksia. Malli valmistetaan metallimuotissa sintraamalla polystyreeni vesihöyryn avulla haluttuun muotoon. Monimutkaiset mallit kootaan useammasta osasta liimaamalla. Tarvittaessa voidaan pinnan laatua parantaa erilaisilla pinnoitteilla. Yksittäisten valukappaleiden mallit tehdään polystyreenilevystä työstämällä. Kuva 330. Replicast-menetelmä. Keraamisia kuoria pakkauslaatikossa tuettuina vakuumilla Mallin polttamisen jälkeen keraaminen kuori pakataan ja tuetaan valulaatikon sideaineettomaan kuivaan hiekkaan. Tuentaa tehostetaan imemällä laatikkoon alipaine samoin kuin tyhjöpakatussa kahvipaketissa. Valun jälkeen valulaatikko tyhjennetään laskemalla osa valuhiekasta pois ja poimimalla valokset erilleen. Kuten vahatarkkuusmenetelmässä, on replicastmenetelmässäkin valukappaleen muotoilun vapaus suuri. Jakopintaa, hellityksiä ja keernoja ei tarvitse muotoilussa ottaa huomioon. Reiät, jotka muiden menetelmien valukappaleisiin joudutaan poraamaan, voidaan tällä menetelmällä valaa valmiiksi. Kuva 331. Polystyreenimuovista valmistettu jatkettavalapaisen potkurin malli. Rakenne on aikaisemmin tehty hitsaamalla ja reiät porattu kiinnittimessä. Kuva 332. Polystyreenimalli. Kuva 333. Kuori syöttökupuineen. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 117

4 Kuva 334. Valmis valukappale. Shaw- ja unicast-menetelmissä muotti valmistetaan keraamisesta aineesta kestomallia käyttäen. Mallikustannukset ovat pienemmät kuin metallimuotilla valmistettavaa vahamallia käyttävässä tarkkuusvalussa. Shaw- ja unicast-menetelmillä voidaan valaa kaikkia metalleja ja niillä saavutetaan tarkkuusvalua vastaavat mittatarkkuudet, yksityiskohtien kopioitavuus ja valukappaleen pinnanlaatu. Pinnanlaatu on 3,2 mm tai parempi. Shaw- ja unicast-menetelmillä valetut kappaleet ovat tiiviitä, eivätkä ne sisällä ei-metallisia sulkeumia. Menetelmillä on muitakin etuja: laitekustannukset ovat vähäiset, mallit voidaan tehdä haluttaessa ilman päästöjä, valettaessa kuumaan muottiin voidaan valukappaleen seinämänpaksuutta pienentää ja, kuten kaikissa tarkkuusvalumenetelmissä, puhdistus- ja työstökustannuksissa voidaan säästää samoin kuin valumetallissa. Seinämänpaksuudet voivat olla 1,6 mm. Shaw- ja unicast-menetelmien suurin ero tarkkuusvaluun (ja replicast-menetelmään) verrattuna on, että muotti on kaksiosainen. Siksi suunnittelussa tulee huomioida jakotaso. Menetelmillä valmistettavien kappaleiden koot vaihtelevat 10 kg:sta 1000 kg:aan. Menetelmät sopivat pienille ja keskisuurille sarjoille ja jopa yksittäistuotantoon. Kuva 335. Shaw-menetelmä: 1. kaavausmassan valmistaminen 2. kaavausmassa eli slurry kaadetaan puusta, metallista tai muovista tehtyyn kehyksillä varustettuun malliin, jossa sen annetaan hyytyä 2 3 minuuttia 3. kiinteä keraamimassa irrotetaan mallista 4. muotti poltetaan, kunnes haihtuvat aineet ovat poistuneet 5. poltettu shaw-muotti sintrataan korkeassa lämpötilassa 6. muotinpuoliskot asetetaan paikoilleen ja suoritetaan valu. Shaw- ja unicast-menetelmien suurimpina haittoina ovat niiden suuren keraamimuottimäärän aiheuttamat korkeat kustannukset ja suuri jätemäärä. Keraamisten muottien materiaali ei ole kierrätettävissä. Tämä rajoittaa sarjasuuruuden kappaleeseen, mutta käyttämällä komposiitti- eli yhdistelmämuotteja sarjasuuruutta voidaan kasvattaa. Komposiittimenetelmässä Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 118

5 mallin päälle muodostetaan vain ohut kerros keraamisella materiaalilla ja loppuosa muotista täytetään halvemmalla materiaalilla, joka on lisäksi kierrätettävissä. Shaw- ja unicast-menetelmien käyttöä voidaan puoltaa silloin, kun kappale on liian suuri valettavaksi tarkkuusvaluna. Tällöin vahamallista tulisi liian iso ja hankalasti käsiteltävä. Toinen perustelu on valettavan kappaleen sarjasuuruus: tarkkuusvalun vaatimaa metallista työkalua vahamallin valmistamiseksi ei kannata tehdä kovin pienillä kappalemäärillä. Tällöin voi olla perustellumpaa tehdä puinen tai muovinen malli Shaw- ja unicast-menetelmiä varten. Ko. malli on edullisempi ja sen toimitusaika on lyhempi. Kokillivalu Kokillivalussa käytetään metallisia kestomuotteja, kokilleja. Menetelmää käytetään sarjatuotannossa ja yleisemmin matalissa lämpötiloissa sulavien metallien valuun, mutta myös rautaa ja terästä voidaan valaa. Mitä korkeampi on valettavan metallin lämpötila, sitä lyhempi on kokillin kestoikä. Kevytmetallivaluissa kokilli voi kestää jopa valua. Kokilliin valetulla metallilla on hienojakoinen ja tiivis kiderakenne, ja sen lujuusominaisuudet ovat paremmat kuin hiekkaan valetulla. Myös pinnan laatu on parempi. Hiekan puuttumisen vuoksi ei kappaleissa ole hiekkavikoja. Kappalekoko on yleensä alle 100 kg, mutta suurempiakin kappaleita voidaan valaa. Kokillivalun keernat valmistetaan joko valuraudasta, työkaluteräksestä tai muodon niin vaatiessa keernahiekasta. Kokillin ja metallikeernojen pinnat suojataan valussa tapahtuvalta lämpöshokilta peitostamalla ne ohuella ja tulenkestävällä materiaalilla. Kuva 336. Kokillimuotti avattuna. Kuva 337. Kestokeernan käyttö kokillivalussa, keerna jaettu osiin. Kuva 338. Vaikeasti valettava alumiininen kokillivalukappale syöttöjärjestelmineen. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 119

6 Tavallisessa menetelmässä kaadetaan sula metalli valukauhalla muottiin. Kuva 339. Kokillivalupiste, vasemmalla uuni, oikealla pneumaattisesti toimiva kokillivalukone. Kuva 340. Peitostettu kokillimuotin puolikas. Kuva 341. Auki oleva kokillivalukone. Kuva 342. Sula kaadetaan kokilliin valukauhalla. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 120

7 Pienpainekokillivalussa (matalapainevalu) muotin täyttö tapahtuu paineella alhaaltapäin. Sula metalli johdetaan metallipinnan alapuolelle ulottuvaa nousuputkea pitkin muottiin sen pohjassa olevan valuaukon kautta antamalla noin 1,5 bar paineen vaikuttaa tiiviisti suljetussa uunissa metallin pintaan (Kuva 343). Pienpainekokillivalulla voidaan valaa suurempia kappaleita kuin tavanomaisella kokillivalulla. Paineen ansiosta syöttökupujen määrä on pienempi sekä metallin hapettuminen vähäisempää verrattuna tavalliseen kokillivaluun. Kuva 343. Pien- eli matalapainevalulaitteisto. Kuva 344. Nousuputken haaroittaminen kappaleen syötön helpottamiseksi. Kuva 345. Pienpainevalumuotti avattuna. Kuva 346. Pienpainekokillivalulla valmistettu tuote. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 121

8 Keskipakovalu Keskipakovalussa on muotti valamisen ajan pyörivässä liikkeessä, ja metalli jähmettyy keskipakovoiman vaikutuksen alaisena. Näin syntyvän paineen vuoksi valettava metalli saa tiiviin rakenteen ja hyvät lujuusominaisuudet. Aidossa keskipakovalussa metalli kaadetaan joko vaaka- tai pystysuoran pyörimisakselin omaavan rengasmaisen tai putkimaisen muotin sisään. Metalli asettuu keskipakovoiman vaikutuksesta muotin seinämää vasten, ja kappaleen sisäpuoli muodostuu ilman keernaa. Kappaleen seinämäpaksuutta voidaan säädellä muutamalla valettavaa metallimäärää. Aidolla keskipakovalulla valmistetaan putkia, holkkeja, renkaita jne. Kuva 347. Pystysuoran keskipakovalun periaate. Kappaleen seinämänpaksuus jää alaosassa suuremmaksi kuin yläosassa. Vaakasuoran keskipakovalun periaate: Sula metalli johdetaan muotin sisään pitkää valukourua pitkin. Sitä mukaa kun metallia virtaa muottiin, siirretään pyörillä olevaa vaunua siten, että metalli jakautuu tasaisesti koko muotin osalle (Kuva 348). Keskipakomuotovalussa pyörii muotti ja siihen valettu sula metalli pystysuoran symmetriaakselinsa ympäri. Pyörimisnopeus on tavallisesti /min. Muottimateriaalina voi olla metalli, keraaminen aine tai kemiallisesti kovettuva hiekkaseos. Kappaleen muoto voi olla hyvinkin monimutkainen, esimerkiksi laivan potkuri. Muodon määrää kokonaan muotti, jonka pitää olla lujarakenteinen kestääkseen keskipakovoiman aiheuttamat rasitukset. Kuva 348. Vaakasuoran keskipakovalun periaate. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 122

9 Kuva 349. Keskipakovalukone vinoasennossa Kuva 350. Osista koottu keskipakovaluun sopiva muotti Keskipakopainevalussa kappaleet kaavataan kemiallisesti kovettuviin hiekka- tai keraamisiin muotteihin siten, että kaatokanava jää keskelle ja kappaleet sijoitetaan symmetrisesti sen ympärille (Kuva 351). Tällaisia muotteja voi olla useita päällekkäin. Pyörimisnopeus on alle 200 1/min. Kuva 351. Teräsventtiilin rungon valaminen keskipakopainevaluna Painevalu Painevalussa puristetaan sula metalli männän avulla teräksestä tehtyyn muottiin. Suuri paine täyttää muottipuoliskojen muodostaman ontelon sekunnin murto-osassa. Nykyaikaisissa koneissa käytetään MPa:n puristuspainetta. Suuri paine vaatii suuren sulkuvoiman muottipuoliskojen koossapitämiseksi. Painevalukoneiden suuruus määritetäänkin niiden sulkuvoiman perusteella. Tavallisesti se on kn, mutta käytössä on jopa kn koneita. Suuri sulkuvoima saadaan aikaan ns. polvimekanismin avulla (Kuva 351). Painevaletuilla kappaleilla on suuri mittaustarkkuus, ja ne voidaan valaa valmiiksi, jolloin niiden työstäminen jää kokonaan pois. Painevalukoneita on kahdentyyppisiä, kylmäkammio- ja kuumakammiokoneita. Kylmäkammiokoneita käytetään valettaessa korkeassa lämpötilassa sulavia metalleja, kuten messinkiä, alumiinia ja magnesiumia. Kylmäkammiokoneen toimintaperiaate on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 353). Siinä vaakasuora terässylinteri muodostaa kylmäkammion, joka ulottuu muottionteloon asti. Sulaa metallia kaadetaan panostusreiän kautta, ja liikkuva mäntä puristaa metallin muottiin. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 123

10 Kuva 352. Kuva 353. Kylmäkammiokoneen toimintaperiaate Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 124

11 Kuva 354. Kylmäkammiopainevalukone, jonka sulkuvoima on 13500kN Kuumakammiokoneita käytetään matalan valulämpötilan metalleille, kuten sinkille, lyijylle ja nykyisin myös magnesiumille. Kuumakammiokoneissa (Kuva 355) ovat sylinteri ja mäntä upotettuna sulaan metalliin siten, että sylinteri automaattisesti täyttyy jokaisen työiskun jälkeen. Kuumakammiokoneita ei voida käyttää alumiinin tai messingin valuissa, koska sulan metallin korkea lämpötila vaikuttaa haitallisesti teräksiseen mäntään ja sylinteriin. Kuva 355. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 125

12 Jatkuvavalu Jatkuva- eli liukuvalua käytetään muotoprofiilien ja putkien valmistuksessa. Muoto saadaan vesijäähdytteisellä grafiitti- tai metallimuotilla, jota vedetään ulospäin sen läpi menevän metallin jähmettyessä, ja muottiin valuu sulaa metallia tilalle. Jatkuvavalua käytetään lähinnä metallien valmistusteollisuudessa, jossa se korvaa valannevalun. Sillä saadaan parempi saanto, pienempi energian kulutus, parempi laatu, lyhyempi prosessin läpimenoaika sekä pienemmät työkustannukset. Lisäksi menetelmä on helppo automatisoida. Kuva 356. Pystysuora jatkuvavalukone. Jatkuvavalulla tehdään vakiomittaisia valurautaisia tankoja, levyjä, putkia ym. profiileja lähinnä GJL 200- tai 250-lajista. Jatkuvavalulla valmistettujen valurautalevyjen ja -laattojen käyttö on lisääntymässä työstökoneteollisuuden rakenneaineina. Teräksen osalta jatkuvavalua käytetään lähinnä vain valmistettaessa eräitä erikoistuotteita (mm. kulutusta kestäviä levyjä ja tankomyllyjen tankoja). Kupariseoksille jatkuvavalua käytetään runsaasti pyöreiden ja kulmikkaiden tankojen valmistuksessa. Jatkuvavaluun sopivat myös samat alumiiniseokset kuin kokillivaluun. Puristusvalu Puristusvalussa (Kuva 357) tietty sulapanos kaadetaan vaakasuoraan jaetun muotin alempaan puoliskoon, minkä jälkeen muotti suljetaan hitaasti painamalla yläpuolisko paikoilleen sekä nostamalla puristuspaine MPa:iin metallin jähmettymisen ajaksi. Puristusvalu voidaan suorittaa suoralla puristuksella, tuurnapuristuksella tai pursotuspuristuksella. Kuva 357. Puristusvalun menetelmät: A. suora puristus B. tuurnapuristus C. pursotuspuristus. Suora puristus sopii massiivisille, tuurnapuristus ontoille ja pursotuspuristus laattamaisille kappaleille. Menetelmää voidaan käyttää alumiini- ja kupariseoksille sekä teräkselle, lisäksi se sopii komposiittirakenteiden valmistukseen. Ei-rautametalleilla kappalekoot ovat 0,1 30 kg ja teräksellä kg. Metallin saanto on lähes 100 % ja saadut kappaleet virheettömiä. Lisäksi materiaalille saadaan tiivis ja hieno kiderakenne sekä hyvät lujuusominaisuudet. Menetelmä Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 126

13 sopii parhaiten yksinkertaisille kpl sarjoissa valmistettaville kappaleille. Puristusvalun tärkein käyttöalue on hydrauliikka- ja kulkuneuvoteollisuuden osissa. Liitosvalu Liitosvalussa metallikomponentit liitetään toisiinsa valamalla siten, että korkeammassa lämpötilassa sulavaan kappaleeseen valetaan kiinni alemmassa lämpötilassa sulava metalli. Kiinnivalettavat kappaleet eivät muodosta sulaliitosta valumetallin kanssa, vaan tarttuvat siihen yleensä kutistumisessa syntyvän puristuksen tiukkuuden ansiosta. Liitosvalulla joko parannetaan valukappaleen paikallisia ominaisuuksia valamalla siihen kiinni toista metallia olevia kappaleita tai kootaan suuria rakennekokonaisuuksia pienemmistä osakomponenteista, jotka voivat olla joko samaa metallia tai eri materiaalia. Liitosvalua sovelletaan yleisimmin painevalussa. Koska valuiskun aikana muottiin syöksyvä metalli puskisi kiinnivalettavat kappaleet paikoiltaan, on ne lukittava paikoilleen joko upottamalla muottiin tai erillisillä pitotapeilla. Liitosvalu soveltuu useimmille valumetalleille. Tavallisimmin liitetään teräsputkia joko valuraudan tai -teräksen kanssa, teräs- ja valurautakappaleita, kierreinserttejä tms. kevytmetallitai kupariseoskappaleisiin ja laakerimetalleja valurauta- tai terässeosten kanssa, jolloin niiden päälle muodostuu ohut alumiini-rauta-yhdistekerros, joka parantaa alumiinin kiinnittymistä. Vasta tämän jälkeen osan päälle valetaan varsinainen alumiinikappale. Liitosvalu on myös yhdistetty keskipakovaluun suurten kerrosrakenteisten sylinterinholkkien valmistuksessa siten, että ensin valetaan holkin ulompi luja ja sitkeä pallografiittivalurautainen tukikerros ja tämän vielä ollessa kuumana sen sisään suomugrafiittivalurautainen tribologisesti optimaalinen liukupintakerros. Taittoa tarkistettu (Tuula Höök) Muotinvalmistustekniikka Sivu 127