Painevalukappaleen suunnitteluprosessi

Transkriptio

1 Painevalukappaleen suunnitteluprosessi Stefan Fredriksson SweCast Käännös: Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Painevaluprosessi Kun suunnitellaan uutta tuotetta valua tai jonkin muun tyyppistä tuotetta tulee aina esille joukko teknisiä, taloudellisia ja ulkonäköön liittyviä vaatimuksia. Vaatimukset rajoittavat valmistusmenetelmien valintaa. Seuraavassa on lueteltu joukko keskeisiä vaatimuksia, joihin joudutaan useissa tapauksissa ottamaan kantaa: Tuotteen valmistusmateriaali Eräkoko Toleranssit Pinnankarheus Paino Kustannukset Kun eri vaihtoehdot on harkittu ja tehty päätös valmistusmenetelmästä, tuote muokataan muodoiltaan ja muilta ominaisuuksiltaan valittuun menetelmään sopivaksi. Se, kuinka paljon tuotetta joudutaan muokkaamaan, riippuu valitusta menetelmästä. Muutokset, joita joudutaan tekemään kokillivalumenetelmän tai painevalumenetelmän suhteen, ovat erilaisia. Alla olevassa listassa on esitetty joukko yksityiskohtia, jotka täytyy käydä läpi, jos valmistusmenetelmäksi on valittu valaminen. Seinämien risteyskohdat Pyöristyssäteet ja reiät Päästökulmat Rivoitus ja paksunnetut seinämät Kutistuma Koneistus ja puhdistaminen Painevalukappaleen suunnitteluprosessi 1

2 Tuotteen tai komponentin vaatimukset Materiaali Eräkoko Pinnankarheus Paino Materiaalinvalinta Valmistusmenetelmän valinta (Valu) Muutokset tuotteeseen Kuva 1: Valukappaleen suunnittelun ensimmäiset vaiheet Jotkin valun aikana ilmenevistä ongelmista ovat jäljitettävissä tuotteen suunnittelun aikana tehtyihin ratkaisuihin. Alla olevaan taulukkoon on koottu esimerkkejä valuvioista ja haettu suunnitteluprosessista vaihe, jonka aikana tehty ratkaisu on vaikuttanut vian muodostumiseen. Valuvika / Vaatimus Huokoisuus, mittatarkkuus Valuprosessin vaihe Jähmettyminen Syy Seinämien risteyskohdat, rivoitus Kutistuma Jäähtyminen Seinämien risteyskohdat, rivoitus ja paksunnetut kohdat Ilma ja oksidit Muotin täyttyminen Geometria, pyöristyssäteet, jakopinta ja paksunnetut kohdat Vajaatäyttö, kylmäjuoksu Muotin täyttyminen Seinämien risteyskohdat, rivoitus ja paksunnetut kohdat Halkeamat Muotin täyttyminen, jäähtyminen Seinämien risteyskohdat, rivoitus Lujuus Muotin täyttyminen, jähmettyminen ja jäähtyminen Geometria, seinämien risteyskohdat, rivoitus ja paksunnetut kohdat Painevalukappaleen suunnitteluprosessi 2

3 Valun simulointiohjelmistoja on nykyisin yleisesti käytössä. Useimmiten niitä käytetään ongelmien selvittämiseen tai valun optimointiin. Simulointiohjelmistoja voitaisiin käyttää myös toisella tapaa. Niitä voi käyttää valukappaleen geometrian optimointiin ja yhteistyöhön tuotetta tilaavan organisaation suunnittelijoiden ja valimon välillä. Tällä tavoin simulointiohjelmistojen erilaisista toiminnoista on mahdollista saada suurempi hyöty kuin pelkässä valimokäytössä. Yhteistyöllä kappale voidaan optimoida siten, että se on paremmin valettava, parempi ja mahdollisesti myös kustannustehokkaampi kuin totutulla tavalla suunniteltu kappale. Ongelmana on yhteistyön puute kappaletta suunnittelevan yrityksen ja valimon välillä. Suunnitteluinsinöörit muotoilevat kappaleen ja jättävät sen mallinnustiedoston valimoon. Valimo lähettää mallin eteenpäin työkalunvalmistajalle, joka koneistaa valumallin tai muotin tuotetta varten. Valimo alkaa tuottaa kappaleita ja tekee ongelmien ilmetessä simulointeja. Simulointien lopputulosta käytetään ongelmien ratkaisemisessa. Useissa tapauksissa ratkaisu johtaa siihen, että sekä tuotetta että muottia muokataan. Koska muotti on jo valmis, sen muokkaamiseen on vain rajallisesti mahdollisuuksia ja muokkaaminen on myös hyvin kallista. Asiakas FEA / FEM Työkalu Valu OK Simulointi Kuva 2: Tyypillinen toimintamalli valujen suunnittelussa Tätä totuttua toimintamallia voidaan parantaa tekemällä enemmän simulointeja tuotteen suunnitteluvaiheessa. Tällöin on valmiina vasta CAD ohjelmistolla tuotettu malli, ei vielä valmiita työkaluja. Tuotteen optimointi eri valumenetelmille on helppoa, jos yhteistyö valimon, tuotesuunnittelijan ja mahdollisesti myös työkalunvalmistajan välillä on saumatonta. Jokaisen osapuolen tulisi voida kertoa mielipiteensä siten, että toiveet otetaan mahdollisuuksien mukaan huomioon. Painevalukappaleen suunnitteluprosessi 3

4 FEA / FEM Työkalu Valu OK Asiakas Simulointi Customer, Foundry, Patternmaker Kuva 3: Uusi parempi toimintamalli valukappaleiden suunnitteluun On hyvin tärkeää, että yhteistyö valimon, tuotesuunnittelijan ja työkalunvalmistajan välillä aloitetaan niin aikaisessa vaiheessa kuin mahdollista. Tällöin voidaan täydentää eri osapuolten tietotaidossa olevia puutteita toisen osapuolen tietotaidolla. Eri osapuolten pitäisi ottaa vastuu omasta suunnittelustaan. Tuotetta suunnitteleva insinööri ottaa esimerkiksi vastuun kappaleen mekaanisista ominaisuuksista tekemällä analyysin jollakin lujuuslaskentaohjelmistolla tai muulla menetelmällä. Hän ei kuitenkaan välttämättä osaa huomioida valumenetelmän asettamia vaatimuksia. Jotta kappaleesta saataisiin muokattua hyvä valu, sen suunnittelussa tarvitaan sekä tietoa mekaanisista ominaisuuksista että valmistusprosessista. Jos suunnitteluosapuolet toimivat hyvässä yhteisymmärryksessä, aika suunnittelusta valmiiksi tuotteeksi lyhenee merkittävästi. Kappaleen valettavuus paranee samalla, jolloin on odotettavissa myös, että susikappaleiden määrä vähentyy. Valunsimulointiohjelmistot Nykyiset valunsimulointiohjelmistot ovat erittäin hyviä ja niiden laatu paranee jatkuvasti. Tuotteen ulkonäkö ja toiminnalliset vaatimukset päätetään jo hyvin aikaisessa vaiheessa suunnittelua. Näiden päätösten jälkeen olisi hyvä tehdä ensimmäinen simulointi. Tuotteen ei välttämättä tarvitse olla viimeistä pyöristyssädettä ja päästökulmaa myöten täydellinen ensimmäisiä simulointikokeiluja varten. Simulointi voidaan tehdä yksinkertaisella ja puutteellisestikin muotoillulla mallilla. Ensimmäinen kokeilu voidaan tehdä jo raakaversioihin, arvioida tulokset ja muokata kappaletta. Kun kappaleen suunnittelu ei vielä ole edennyt pitkälle, muutosten tekeminen on helppoa. Simulointiohjelmilla voidaan käsitellä eri osia valuprosessista ja samalla tehdä arvioita, kuinka hyvin kappale täyttää kunkin prosessin vaiheen vaatimukset. Seuraavassa on esitetty joukko kohteita, joihin valunsimulointiohjelmistoja voidaan käyttää: Muotin täyttyminen Jähmettyminen Jännityslaskenta Painevalukappaleen suunnitteluprosessi 4

5 Muotin täyttymislaskenta Jähmettymislaskenta Jännityslaskenta Simuloinnin osa FEA / FEM Huokoisuus ja mekaaniset ominaisuudet Kanavisto ja jakolinja Lujuus ja halkeilu Virheet Prosessi Kuva 4: Kohteet valunsimulointiohjelmistojen käyttämiseen Jähmettymisen aikainen kutistuma on yksi suurimmista ongelmista kaikissa valumenetelmissä. Jos jähmettymisen aikana ei ole lisämetallia tarjolla, valuun muodostuu tyhjiä kohtia joko kappaleen sisälle tai pintaan. Jähmettymiskutistuman voi ennustaa tarkistamalla kappaleen jähmettymisprofiili simulointiohjelmistolla. Simuloinnin osoittaman tiedon perusteella voidaan tehdä muutoksia kappaleen muotoihin ja tutkia, mihin kohtiin tarvitaan syöttömetallia. Simulointi voidaan suorittaa jo ennen kuin kappaleeseen on suunniteltu kanavisto. Tällöin voidaan havaita helposti, onko kappaleeseen muodostumassa kuumia kohtia. Alla olevassa kuvassa on kolme esimerkkiä valukappaleen nurkkakohdan muotoilusta. Oikeanpuolimaisin esimerkki jäähtyy tasaisimmin. Nurkkakohta on muotoiltu tässä esimerkissä siten, että sisä ja ulkopuolisten pyöristysten suhde on sopiva. Ei ulkopuolista pyöristystä Ulkopyöristys = Sisäpyöristys Ulkopyöristys = 1.25 x sisäpyöristys Kuva 5: Kutistuman ennakointi valunsimulointiohjelmiston avulla Painevalukappaleen suunnitteluprosessi 5

6 Toisinaan on hyödyksi simuloida jokin rajattu osa kappaleesta sen sijaan, että simuloitaisiin koko komponentti. Simuloimalla voidaan tarkistaa jonkin osan suunnittelun onnistuminen ja saada tulokset nopeammin. On esimerkiksi tärkeätä suunnitella seinämien risteyskohdat siten, että niiden suhde on sopiva. Kuvasta 6 voidaan havaita, kuinka suuri merkitys oikealla seinämäsuhteella on. Kuvan värit ilmentävät kappaleen lämpötilamoduulia, joka vastaa suunnilleen kappaleen jähmettymisaikaa. Vasemmalla olevassa kuvassa suhde on oikea, pyöristyssäde on sovitettu seinämänpaksuuden mukaan eikä kappaleeseen muodostu kuumaa kohtaa. Oikealla olevassa kuvassa pystyseinämän paksuus on kolmasosa vaakaseinämän paksuudesta, jolloin pystyseinämä jäähdyttää muita kappaleen osia. Yhden kuuman alueen sijaan kappaleeseen muodostuu kaksi kuumaa aluetta. Kuva 6: Esimerkkejä T risteyksen suunnittelusta Jähmettymissimuloinnin tuloksista voi ennustaa joitakin kappaleen mekaanisia ominaisuuksia. Joissain simulointiohjelmistoissa voi tutkia jähmettymiseen kuluvan ajan ja lujuuden suhdetta. Valukappaleen lujuus riippuu suuresti jähmettymisajasta. Kappaleen suunnittelijan on hyvä tunnistaa tämä ja muut kappaleen lujuuteen vaikuttavat tekijät. Arkiajattelun vastaisesti valu ei tule välttämättä yhtään lujemmaksi, jos jonkin rajatun alueen paksuutta kasvattaa, koska paksumman seinämän jähmettymisaika on pitempi kuin ohuemman seinämän. Kun valua on tutkittu riittävän kauan jähmettymisanalyysin avulla, voidaan tehdä muotin täyttymissimulointi, päättää jakolinjan paikka ja portin sijainti. Koska valuportti voidaan asettaa vain jakolinjalle ja siinäkin vain tiettyihin paikkoihin, portin sijainti on hyvä suunnitella jo varhaisessa vaiheessa. Jännityssimuloinnilla voidaan tarkistaa kappaleen jäännösjännitykset ja tutkia tuleeko niistä olemaan haittaa kappaleen mekaanisten ominaisuuksien kannalta. Jäännösjännitykset voivat saada kappaleen myös vääntyilemään ja sen kautta pois toleranssialueelta. Jos kappale on kokoonpanon osa, vääntymät voivat haitata kokoonpantavuutta. Kappaleeseen voi tehdä tarvittavat muutokset, jos vääntyilyongelmat ja mekaaniseen kestävyyteen liittyvät ongelmat havaitaan ajoissa. Painevalukappaleen suunnitteluprosessi 6