Hiekkavalukappaleen konstruktion mukauttaminen

Transkriptio

1 Hiekkavalukappaleen konstruktion mukauttaminen Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Tampereen teknillinen yliopisto Hiekkavalu on painovoimainen valumenetelmä. Muottihiekka on eristävää ainetta ja sen sisällä valumateriaali jähmettyy hitaasti. Menetelmää käytetään erityisesti valuraudoille ja valuteräksille, mutta hiekkaan valetaan runsaasti myös alumiinisia kappaleita. Valuraudoille ja teräksille hidas jähmettyminen on edullista. Alumiini ja useat muut ei rautapohjaiset materiaalit muodostavat paremman kiderakenteen jähmettyessään nopeasti. Hiekkavalumuotti valmistetaan valumallilla. Kappaleen ulko ja sisämuotoja voidaan tarvittaessa muotoilla keernalaatikoissa valmistettavilla hiekkakeernoilla. Hiekkavalukappaleen muotoilun vapaus on erittäin suuri. Jo yksin hiekkakeernat lisäävät muotoilun vapautta huomattavasti. Sen lisäksi malli voidaan koota useammasta osasta ja muotti voidaan jakaa useammalla kuin yhdellä pysty tai vaakasuuntaisella jakopinnalla. Ylimääräiset mallin osat, jakopinnat ja keernat kasvattavat kuitenkin kaavauksen kustannuksia. Niitä tulisi käyttää harkiten siten, että kustannukset saadaan katettua esimerkiksi säästyneillä hitsaus ja kokoonpanokustannuksilla. Jos kaavauskustannukset havaitaan liian suuriksi, kappale voidaan jakaa useampaan osaan, jotka joko hitsataan toisiinsa tai kiinnitetään pultein (Kuva 1 ja Kuva 2). Kuva 1. Vaikeasti kaavattavan kappaleen jakaminen osiin. Jakamisen jälkeen alentuivat kaavauskustannukset 43%! Kuva 2. Paperikoneen sylinterin suuri koko aiheuttaa sen, että sylinterin A keerna on vaikea valmistaa ja laskea muottiin. Jaetun rakenteen (B) valmistamisessa ei sen sijaan ole mitään vaikeuksia. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 1

2 Koneensuunnittelijan suunnittelema ensimmäinen valukappalekonstruktio ei useimmiten kelpaa sellaisenaan sarjatuotantovaluksi. Konstruktio täytyy mukauttaa hiekkavalumenetelmää varten siten, että kaavaaminen olisi mahdollisimman helppoa, mallikustannukset pienet ja valuvikojen esiintymisen todennäköisyys mahdollisimman pieni. Valuvikoja ei aina voi välttää, mutta niiden paikkaa voi pyrkiä hakemaan suunnittelun keinoin mahdollisimman vähän haitalliseen paikkaan esimerkiksi kohtaan, johon ei kohdistu kuormituksia tai kohtaan, jota ei koneisteta. Hiekkavalukappaleen konstruktion mukauttamiseen on olemassa muutama perussääntö: - Valitse kappaleen valuasento mahdollisuuksien mukaan yhteistyössä valimon kanssa ja mallinna sen jälkeen kappaleen päästöt. Päästöt muuttavat kappaleen muotoja jonkin verran. Toleranssien valinta, lujuustarkastelujen tekeminen ja koneistusten suunnittelu on helpompaa, kun päästöjen suunnat, suuruusluokka ja vaikutus seinämänpaksuuksiin on hahmotettu jo valmiiksi. Kappaleen valuasento riippuu monesta tekijästä. Valimoilla on omia mieltymyksiä valuasennon valintaan. Periaatteena on, että paksut osat asetellaan joko ylimmäksi (painovoiman suunnassa) tai sellaisiin kohtiin, joihin voidaan helposti suunnitella riittävän kokoiset syötöt. Pyri suunnittelemaan kappale siten, että sen muodot laajenevat säännönmukaisesti yhteen suuntaan. Valuasennon valinta on tällöin yksinkertaista. (Kuva 3, Kuva 4 sekä Taulukko 1 tekstin liitteenä) Kuva 3. Päästöjen lisääminen Kuva 4. Kuva A esittää koneen osaa sellaisena kuin se on piirustuksessa. B näyttää kappaleen ulkonäön sen jälkeen, kun siihen on lisätty tarvittavat päästöt. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 2

3 - Kappaleeseen ei saa jäädä paksuja seinämiä ohuiden seinämien ympäröimäksi, koska tällaisia kohtia on hankala syöttää. Valimo voi pyytää lupaa käyttää syöttötäytteitä eli syötön kaulalta alaspäin ulottuvia kappaleen seinämän paksunnoksia, jotta paksut kohdat saadaan syötettyä. Syöttötäytteiden käyttäminen ei kuitenkaan aina tuo toivottua tulosta. Ne voivat myös muuttaa kappaleen mekaanisia ominaisuuksia ennakoimattomasti. - Kappaleeseen tulee jättää riittävästi kohtia joihin syötöt ja kanavat voidaan liittää. Kanavien kohdat tulisi mieluiten suunnitella jakotasolle. (Kuva 5) Kuva 5. Valukappaleella A ei ole tarpeeksi suurta sivupintaa, johon syöttökupu voitaisiin kiinnittää. Muutoksen jälkeen voidaan käyttää sivulle sijoitettua syöttökupua (B), joka on halvempi kuin kappaleen päälle sijoitettu syöttökupu. - Vältä suunnittelemasta kappaleeseen muotoja, jotka tuottavat muottiin tai keernaan ohuen hiekkapatsaan. Metallin ympäröimä hiekka kuumentuu voimakkaasti, kappaleen jähmettyminen hidastuu ja kappaleeseen tulee paikallinen kuuma kohta. Kuuma kohta tuottaa useimmiten sisälleen huokosia tai imuja. - Muotoile kappaleeseen pyöristettyjä pintoja ja käytä kulmissa mahdollisimman suuria pyöristyssäteitä. Vältät tällä tavoin jäännösjännityksiä, vääntyilyä ja paikallisten kuumien kohtien aiheuttamia imuvikoja. Terävät hiekkanurkat kuumenevat myös muuta ainetta voimakkaammin. Pyöristysten ei kuitenkaan tule olla niin suuria, että seinämä paksunee liikaa. - Pyri suunnittelemaan kappale siten, että muotin jakopinnasta tulee tasomainen (Kuva 6, Kuva 7). Kuva 6. Tasomainen jakopinta yksinkertaistaa kaavausta ja vähentää valususien määrää. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 3

4 Kuva 7. Jakopinnan suoristaminen muuttamalla rakenne B:n mukaiseksi pienentää malli ja kaavauskustannuksia. - Vältä suuria, tasaisia vaakapintoja. Vahvistusripojen käyttö on suositeltavaa. Jos seinämän muoto muuttuu jyrkästi pystyseinämästä vaakaseinämään, sulan juoksunopeus muuttuu äkisti. Ohut ja laaja vaakaseinämä on hankala valaa. Muotoile suuret pinnat mieluiten kaltevaan asentoon. (Kuva 8 ja Kuva 9) Kuva 8. Kappaleessa B voi olla pienempi seinämänpaksuus kuin kannessa A, koska siinä on valumatka lyhyempi, säteet suuremmat ja metallin nousunopeus tasaisempi. Kuva 9. Seinämänpaksuuden lisäämiseltä voidaan välttyä sijoittamalla ohuen seinämän päälle vahvistuslistoja, jotka edistävät metallin virtausta (kuva B). - Älä suunnittele ohutseinämäiseen kappaleeseen jyrkkiä mutkia. - Seinämänpaksuuden äkkinäinen vaihtelu ei kuulu hyvän valukappaleen ominaisuuksiin. Suuret vaihtelut aiheuttavat epäjatkuvuuskohtia ja hankaloittavat metallin virtausta. Älä suunnittele kappaleita, joiden seinämien paksuuserot ovat yli 1:2. Käy Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 4

5 tä L ja T risteyksiä X:n sijaan. Salli kappaleeseen jonkin verran keskilinjahuokoisuutta, sitä on vaikea välttää valussa. (Kuva 12) - Vältä ainekeskittymiä, koska ne voivat aiheuttaa imuvikoja, jos syöttömetalli ei pääse virtaamaan niihin esteettä. Käytä tarvittaessa keernoja keventämään ainekeskittymät. Keernat lisäävät kappaleen valmistuskustannuksia, mutta niiden käyttö tulee perustelluksi, jos kappale kevenee. (Kuva 10, Kuva 11 ja Kuva 13) Kuva 10. Valukappaleessa A on reiän ympärillä paksu seinämä. Ainekeskittymää voidaan vähentää syvennyksellä (kuva B). Koska tällöin sisäkulmissa pyöristyssäteet tulevat hyvin pieniksi, on tämä muotoilutapa sopiva vain sellaisille metalleille, joiden valulämpötila on matala. Jotta sisäkulmiin ei syntyisi kaavaushiekan kiinnipalamisen vaaraa, on sisäkulmien säteet pyrittävä saamaan riittävän suuriksi. Kuva 11. Rakenne B tyydyttää lujuusvaatimukset, mutta ainekeskittymistä johtuen kappaleeseen syntyy helposti imuvikoja. Rakenne C täyttää valutekniset vaatimukset. Siinä on ainoastaan T ja L risteyksiä ja ainoa suurempi ainekeskittymä on hylsymäinen osa. Kuva 12. Seinämien risteyskohdat tulee suunnitella siten, että niihin ei muodostu ainekeskittymiä tai teräviä kulmia. Metalli kiteytyy pyöreisiin muotoihin hyvälaatuisena. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 5

6 Kuva 13. Jos seinämiin tulee paksumpia kohtia, muotoile paksunema mahdollisimman loivaksi ja käytä pyöristyssäteitä. Ihanteellisessa tapauksessa paksuuseroja ei ole lainkaan, mutta alle 1:2 paksuuserot ovat vielä hyväksyttäviä. Metalli kiteytyy eri tavoin eri paksuisissa seinämissä. Jyrkät mutkat aiheuttavat jännityskeskittymiä ja kappale voi revetä niiden kohdalta. - Huomioi valumetallin käyttäytyminen eri seinämänpaksuuksilla. Osa valumetalleista on seinämäherkkiä. Kappaleen ominaisuudet muuttuvat seinämäpaksuuden mukaan. Seinämänpaksuuden tai massan lisääminen ei välttämättä paranna kappaleen lujuutta tai laatua. Valukappaleen mekaaniset ominaisuudet voivat jopa heiketä, kun seinämäpaksuus kasvaa. Standardeissa ilmoitetut mekaaniset ominaisuudet koskevat tietyn kokoisia koesauvoja tai pätevät vain tietyillä seinämäpaksuuksilla. - Massiivikappaleen valaminen virheettömänä on erittäin vaikeaa. - Muotoile keernat riittävän tukeviksi ja huomioi niiden kaasunpoisto. Kappaleen sisämuotoja muotoavissa keernoissa olevat terävät kärjet ja ohuet hiekkapatsaat kuumenevat erityisen paljon valun aikana, koska tällainen keerna tulee kokonaan valumetallin ympäröimäksi. (0) Kuva 14. Keernasta A puuttuvat kaasunpoistoaukot, joten sitä on mahdoton käyttää. Keernassa B olevat keernakannat ovat liian pienet, mistä johtuen kappaleeseen voi syntyä kaasurakkuloita. Keernoissa C ja D on riittävän suuret keernakannat ja kaasunpoistoreiät. Keerna D on paras, koska se on tuettu sekä ylä että alapuolelta eikä se tarvitse muotissa keernatukia kuten keerna tapauksissa A ja C. - Suunnittele kappaleen sisämuodot siten että keernaan jää yksi suora pinta kuivausta varten. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 6

7 - Vältä vastapäästöjä sekä kappaleen sisällä että ulkona, mitä vähemmän ja mitä yksinkertaisempia keernoja sen halvempi kappale. (Kuva 15) Kuva 15. Vastapäästöt keernoissa. Lisäkkeet rullan sisäpuolella muodostavat vastapäästön keernaan (A), minkä johdosta keernalaatikko on varustettava irtopaloilla. Jos sisäpuoli sitävastoin suunnitellaan sileäksi (B), muuttuu keernalaatikko yksinkertaisemmaksi ja keernan valmistusaika pienenee. - Suunnittele kappaleen sisämuodot mieluiten siten, että vaaka asentoon tuettavaan keernaan tulee vähintään kaksi kantaa. Jos vaaka asentoisessa keernassa on vain yksi kanta, se kallistuu helposti. Kanta voi myös murtua. Keernan voi tukea keernatuilla eli keernapalleilla, mutta niiden käyttö tuo yhden mahdollisen valuvikojen lähteen lisää. Pystyasentoinen keerna on helpoin koota muottiin siten, että kanta on alhaalla. (Kuva 16) Kuva 16. Keernatuet ovat hankalampia käyttää ja epävarmempia kuin keernakannoilla toteutettu keernaohjaus. Toisaalta keernakannat vaativat melko ison ja joissain tapauksissa tulpattavan reiän. Keernatuet - Yhdistele keernoja. Ihanteellisessa tapauksessa keerna keventää samalla, kun se muotoaa kappaleen sisämuodot tai ulkopuoliset vastapäästöt. (Kuva 17) Kuva 17. Keernan yksinkertaistaminen. Rakenteen A kaavauksessa tarvitaan kaksi keernaa. Muuttamalla rakennetta voidaan kaavaus suorittaa yhdellä keernalla ja muotti saadaan matalammaksi. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 7

8 - Mallin irrottaminen hiekkamuotista tulisi tapahtua helposti. Tee mallista moniosainen vain, jos siihen on olemassa jokin perusteltu tekninen syy. Joissain tapauksissa moniosaisen mallin tuottamat muodot säästävät myöhempiä kokoonpanokustannuksia tai ehkäisevät valuvikoja. - Huomioi kappaleen puhdistettavuus. Keernahiekka täytyy saada poistettua helposti kappaleen sisältä. Jotta hiekan poistaminen olisi mahdollisimman helppoa, suunnittele keernatilaan johtavat aukkokohdat riittävän suuriksi. Syöttökuvut ja kanavat täytyy irrottaa joko lyömällä (useimmat valuraudat ja katkaisu uralla varustetut kuparipohjaisten seosten valukkeet), polttoleikkaamalla (teräkset) tai sahaamalla (valuraudat, kuparipohjaiset seokset, alumiiniseokset). Kiinnitä huomiota kupujen irrotettavuuteen. Jos kanavat ja kuvut on sijoitettu muualle kuin koneistettaviin pintoihin, kappale viimeistellään käsihiomakoneella. Suunnittele jakopintaan riittävästi tasaista pintaa kanavaa varten erityisesti siinä tapauksessa, että pinta täytyy tasoittaa hiomalla. (Kuva 18, Kuva 19 ja Kuva 20) Kuva 18. Pyörässä A on liian pienet aukot keernahiekan poistamista varten. Tyhjentäminen käy hitaasti ja keernan vahvistuksia on vaikea saada ulos kappaleesta. Kuvassa B on riittävän kokoiset reiät. Kuva 19. Tässä adusoitavasta raudasta valmistettavassa vipuvarressa täytyy tilanahtauden vuoksi valukanava sijoittaa kappaleen isompaan päätypintaan. Jos se on käyrä, kuten kuvassa A, on hiomalla vaikea saada käyrälle oikea ulkonäkö. Pinta täytyy alunperin suunnitella suoraksi (B). Tällöin hiominen helpottuu ja poishiottava ainemäärä jää pieneksi. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 8

9 Kuva 20. Rakenne A on sopimaton kaikille valumetalleille lukuunottamatta mahdollisesti kevytmetalleja. Keernahiekka ylikuumentuu voimakkaasti kapeassa kanavassa ja tarttuu kappaleen pintaan kiinni. Kuvat B, C ja D esittävät vaihtoehtoisia parannettuja rakenteit a. Parannettua rakennetta B käytetään, jos sylinterimäistä osaa voidaan syöttää. Rakenne C on tavallisin, mutta rakenne D on valutekniseltä kannalta toivottavin. Ulkonäkö ja toimintanäkökohdat (esim. vesijäähdytys) estävät kuitenkin usein tällaisen rakenteen käytön. - Huomioi valumetallin kutistuminen kappaleen muotoilussa. Kutistuma voi vaihdella eri valukerroilla. Kutistumat ovat helpommin hallittavissa, jos seinämänpaksuus ei vaihtele kovin paljon. Tällöin jäähtyminen tapahtuu kaikkialla kappaleessa suunnilleen samassa ajassa. Suunnittele kappaleeseen riittävät pyöristykset ja vältä äkillisiä seinämänpaksuuksien vaihteluita. Muotoile kappale joustavaksi niistä kohdin, joihin voi epäillä muodostuvan kutistumajännityksiä. (Kuva 21 ja 0) Kuva 21. Pyöristä kappaleen nurkkakohdat siten, että sisä ja ulkopuoliset pyöristykset ovat samankeskisiä. Tällöin kappaleen seinämäpaksuus ei muutu. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 9

10 Kuva 22. Pyörän (A1) kehä voi pahimmassa tapauksessa katketa valujännitysten vuoksi. Jännityksiä voidaan vähentää suunnittelemalla pyörän rakenne joustavaksi joko käyrien varsien (A2) tai osiin jaetun navan (A3) avulla. Vaijeripyörässä (B1) voi varsi katketa tai kehä vääntyä valujännitysten vuoksi. Ohentamalla navan paksuutta, käyristämällä varsia (B2) tai jakamalla pyörä kahteen osaan (B3) voidaan nämä vaikeudet välttää. Varsinkin suurissa hammaspyörissä on vältettävä jäykkiä rakenteita (C1 ja 2), sillä niiden laipat murtuvat helposti joko valujännitysten tai mahdollisen lämpökäsittelyn aiheuttamien jännitysten vuoksi. Rakenteet C 3... C 5 ovat suositeltavia. - Maksimoi kappaleen lujuus. Muuta vetojännitykset puristusjännityksiksi. Vältä ohuita ja korkeita jäykistyslistoja. Materiaalit, joilla on pieni kimmomoduli, vaativat yleensä seinämän vahvistamista korokkeiden, listojen tms. liittymäkohdissa. Huomioi suurten kappaleiden ulkopuolisiin osiin kohdistuva, painosta johtuva rasitus. Kappale joutuu suuriin rasituksiin, kun sitä nostetaan. (Kuva 23) Kuva 23. Valuraudan hyvää puristuslujuutta on pyrittävä käyttämään hyväksi muotoilemalla kappale siten, että vahvistuslistat joutuvat käytössä puristusjännitysten alaisiksi. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 10

11 - Muotoile kappale siten, että työstäminen sujuu mahdollisimman helposti. Työstettävä kohta ei saa olla ohuin. Työstön lähtöpintojen tulisi olla samassa muottipuoliskossa. Tällöin valun tarkkuus on paras mahdollinen. Suunnittele kappale siten, että kohdat, joista kappale tullaan kiinnittämään työstökoneeseen on ajateltu valmiiksi. (Kuva 24, Kuva 25 ja Kuva 26) Kuva 24. Tavalliset sorvin istukan leuat eivät saa pitävää otetta kuvassa A olevasta vinosta pinnasta. Vaikeus voidaan välttää suunnittelemalla kappaleeseen sylinterimäinen osa (B). Kuva 25. Sorvattavaan työkappaleeseen sijoitettuja kiinnitysulokkeita. Suunnittelijan on neuvoteltava konepajan kanssa ulokkeiden suuruudesta ja sijoituksesta. Kuva 26. Putkikulmaan on lisätty uloke keskiökärkeä varten, jotta sen kiinnitys sorviin helpottuisi. - Työstettäviin pintoihin lisätään työvarat. Niiden suuruus riippuu kappaleen maksimimitasta, valitusta valutoleranssista ja valitulle valumenetelmälle mahdollisesta pinnanlaadusta. Työvarojen laskeminen on käsitelty valutoleranssien yhteydessä. Älä suunnittele työvaroihin vastapäästöjä. (Kuva 27) Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 11

12 Kuva 27. Kappale on muotoiltava siten, että työstövara ei muodosta vastapäästöä. Seuraavaan kuvaan (Kuva 28) on koottu muutamia yksityiskohtia lisää. Nämä esimerkit huomioimalla voi parantaa kappaleen mekaanisia ominaisuuksia, muotin valmistettavuutta tai koneistettavuutta. Kuvaan liittyvä numerointi on selostettu kuvaa seuraavissa kappaleissa. Kuva 28. Vasemmalla puolella olevassa geometriassa on useita epäedullisia yksityiskohtia. Oikealla puolella olevat muodot ovat edullisemmat. Numerointi on selostettu seuraavissa kappaleissa. 1. Jos materiaalin puristuslujuus on vetolujuutta parempi, vetokuormitus on hyvä muuttaa puristukseksi. Oikealla puolella olevassa yksityiskohdassa on puristuskuormitus. Useimmilla valettavilla materiaaleilla puristuskuormitus on edullisempi. 2. Kappaleeseen kuuluvan ulkoneman juuressa olevat nurkat on vasemmanpuoleisessa konstruktiossa pyöristetty liian pienellä pyöristyssäteellä. Oikealla puolella pyöristys on riittävä. Liian pieni pyöristys aiheuttaa voimakkaan lovivaikutuksen, joka korostuu entisestään loviherkillä valumateriaaleilla. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 12

13 3. Vasemman puolen konstruktiossa on ristikkorakenne, jossa seinämien risteyskohtiin muodostuu ainekeskittymiä. Oikean puolen konstruktiossa ainekeskittymiä on kevennetty muuttamalla neljän seinämän X risteys kolmen seinämän T risteykseksi. 4. Vasemman puolen konstruktiossa on työstettävä reikä vinolla pinnalla. Vino pinta on hankala työstää siten, että reikä tulee tarkasti aiotulle kohdalle. Oikean puolen konstruktiossa kappaleen seinämä on muotoiltu siten, että työstö voidaan aloittaa tasopintaan. Reiän tekeminen onnistuu nyt huomattavasti paremmin, koska työstöterän akseli tulee kohtisuoraan työstettävää pintaa vasten. 5. Kappaleeseen on muotoiltu massiivinen kohta ohuiden seinämien ympäröimäksi. Massiiviset kohdat täytyy keventää. 6. Käytä lastunkatkaisu uria. 7. Muotoile rivat siten, että niihin tulee puristuskuormitus. Vasemman puolen rivoituksessa on vetokuormitus, oikealla puolella puristuskuormitus. 8. Vasemman puolen konstruktioon on suunniteltu kohta, joka aiheuttaa muottiin ohuen hiekkaseinämän. Tällainen seinämä on hankala kaavata muottiin ja se kuumenee valun aikana voimakkaasti. Muoto tulisi pyrkiä tasoittamaan ja yhdistämään mahdollisuuksien mukaan muihin kappaleen muotoihin, kuten oikean puolen konstruktiossa on tehty. 9. Vasemmalla on epäedullinen rivan muoto. Oikealla puolella muoto vastaa kuormitusta. Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 13

14 Taulukot Taulukko 1. Päästöjen suuruudet standardin SFS EN mukaan (mallien päästöt) Päästö (T) mm, matala irrotuskorkeus (H/W* <=1) Korkeus (H) mm Käsinkaavaus Tuorehiekka Kemiall. sidottu hiekka Konekaavaus h <= < h <= < h <= ,5 2,5 180 < h <= 250 3, < h <= ,0 250 mm kohden 1000 < h <= , mm kohden +1,0 250 mm kohden +2, mm kohden +1,0 250 mm kohden +2, mm kohden Päästö (T) mm, syvä irrotuskorkeus (H/W >1) Korkeus (H) mm Käsinkaavaus Tuorehiekka Kemiall. sidottu hiekka Konekaavaus h <= 30 1, < h <= 80 2, < h <= < h <= < h <= ,0 250 mm kohden 1000 < h <= , mm kohden * W = sisäinen leveys +1,0 250 mm kohden +2, mm kohden +1,0 250 mm kohden +2, mm kohden Konstruktion mukauttaminen hiekkavalua varten 14