VALUNSUUNNITTELUN PARHAAT KÄYTÄNNÖT

Transkriptio

1 VALUNSUUNNITTELUN PARHAAT KÄYTÄNNÖT Peiron Oy Markku Eljaala

2 Valunkäytöstä yleensä Suomalaiset yritykset käyttävät valua ainakin miljardilla vuosittain globaalisti Todennäköisesti enemmän kuin koskaan ennen Valut ovat merkittävässä osassa prosessia tai lopputuotteita Silti suunnitteluosaamista ja sen opetusta on todennäköisesti vähemmän kuin koskaan Poikkeuksiakin on Joiltakin löytyy vielä omia valimoita Jotkut osaavat valimoprosessin paremmin kuin valimot itse Hyvä valimo-osaaminen voi olla merkittävä kilpailuetu

3 Valunsuunnittelu Valunsuunnittelu tarkoittaa valukappaleen ja valujärjestelmän suunnittelua kokonaisuudessaan Suunnittelussa tulisi ottaa huomioon valitun valimoprosessin vaatimukset kaikista näkökulmista Lopputuote vastaa tilaajan toivetta Käytettävyys / toiminta Ulkoinen laatu Hinta Valimoprosessi on toimiva Valmistettavuus ylipäätänsä Läpimenoaika Sisäinen laatu (korjaustarve vaaditun laadun saavuttamiseksi) Tuottavuus

4 Valukappaleen suunnittelu Suunnittelussa otetaan huomioon valuprosessin ja sitä seuraavien prosessien vaatimukset kappaleen muotoilussa ja ominaisuuksissa Oikean valumateriaalin valinta -> vaikuttaa soveltuviin valimoprosesseihin Vaadittava tarkkuus -> tarvittavat työvarat ja toleranssit Vaikuttaa valittavaan valimoprosessiin Hellitykset Pyöristykset -> pyöristykset tulevat kaupanpäälle (käytä runsaasti) Valukutistuma (krymppi) -> mittatarkkuus, muodonmuutokset/jännitykset Valuprosessin yksinkertaistaminen karsimalla valusta tarpeettomia piirteitä -> keernojen vähentäminen, pienet reiät, kevennyskolot, Valuprosessin vaikeuttaminen prosessin yksinkertaistamiseksi > liitosvalu (sitkeä+kova), kaksi osaa suunnitellaan yhdeksi, Parhaimmat käytännöt: Käytä 3D CAD-järjestelmää CAD järjestelmästä pitää löytyä DRAFT ANALYSIS - työkalu Murtojakolinjaa/-pintaa ei tarvitse enää välttää -> kannattava vaihtoehto keernojen välttämiseksi Näytä valimolle kokonaisuus mihin osa liittyy ja mitä se tekee -> ymmärrys lisääntyy

5 Draft-analysis näyttää pinnat, joissa ei ole riittävää hellitystä Puutteellisen neutraalitiedoston muovaaminen valuksi voi viedä päiviä -> kustannus/läpimenoaika

6 Valujärjestelmän suunnittelu Valujärjestelmä tarvitaan, jotta valu saadaan tehtyä Valujärjestelmä pitää sisällään periaatteessa valun muut osat kuin itse valukappaleen Muotin täyttöjärjestelmä Valun syöttöjärjestelmä ja mahdolliset syöttötäytteet Valun jäähdytysjärjestelmä -> kokillit tai jokin muu Valujärjestelmän osat ovat sellaisia, että asiakas ei niitä halua ja ne tyypillisesti poistetaan puhdistuksessa tai koneistuksessa Järjestelmän suunnittelussa tulee ottaa huomioon materiaalivalinnat ja kaasunpoisto Muotti- ja keernamateriaalit, peitosteet, syötön apuaineet Kaasupinnat ja kanavat Mallityökalun oikea materiaali ja toteutustapa (-> tarkkuus) Tämä on valimon vastuulla ja valimon ydinosaamisaluetta

7 Oikean valumateriaalin valinta Sopivan valumateriaalin valinta -> ei itsestään selvää Valumateriaaleja on valtavasti Kaikki metallit ovat valettavissa, mutta jotkut seokset voivat olla erittäin vaikeita valettavia Koska niitä on paljon, niin erilaisia ominaisuuksia on paljon Lujuutta ja sitkeyttä Kulumiskestävyyttä Kuuman ja tulenkestävyyttä Korroosionkestävyyttä Valumateriaaleja kohtaan on outoja ennakkoluuloja, vaikka kaikki metallituotteet ovat jossain vaiheessa olleet valettuja Mitä materiaalilta vaaditaan määrittää sopivan materiaalin Valumateriaali rajaa osan käytettävistä valimoprosesseista pois

8 Valurauta vs valuteräs Juoksevuus lähes poikkeuksetta hyvä -> hyvä pinnanlaatu ja tarkat yksityiskohdat Pieni puuroalue -> ei kuumarepeämiä Pieni syöttömetallin tarve -> pienempi valujärjestelmä -> edullista Pieni valukutistuma 0,5 1,2% -> ei kylmä-/-kuumarepeämiä, pienet jäännösjännitykset Kimmomoduuli on pienempi Laaja lujuusalue (Rm = Mpa) Pehmeämmät laadut eivät tarvitse lämpökäsittelyä Hitsattavuus huono tai olematon Vaimentaa värähtelyitä Rakenteen grafiitti voitelee Ei sovellu ihan joka paikkaan Juoksevuus vaihtelee kohtalaisesta surkeaan -> norsunnahkaa ja kylmäsaumoja Suuri puuroalue -> kuumarepeämät Suuri syöttömetallin tarve -> suuret syöttökuvut -> poistaminen kallista Suuri valukutistuma 2 3,5% -> herkästi repeämiä/säröjä, suuret jäännösjännitykset Kimmomoduuli on suurempi Laaja lujuusalue (Rm = Mpa) Useimmat laadut tarvitsevat lämpökäsittelyn Isoin osa hitsattavissa hyvin Ei vaimenna -> sopii kirkonkelloihin Ei voitele -> leikkaa kiinni Löytyy sopiva laatu joka paikkaan

9 Vaadittavan tarkkuustason valinta Mikä on riittävä CT-toleranssi Vaikuttaa valittavissa oleviin valimoprosesseihin Määritä geometriset toleranssit, jos niille on tarvetta Geometriset toleranssit voivat vaikuttaa valuasennon ja jakolinjan valintaa Jos esim. akselin keskireiälle on suoruusvaatimuksia, niin valuasento lähes poikkeuksitta pysty Toleranssit Mallinna toleranssialueen keskelle EI NÄIN: Seinämänpaksuusvaatimus 25( )mm Jos 3D-malli on mallinnettu nimellismittaan, niin nimellismittaa tulee CT-valutoleranssien rajoissa Valimo ei voi päättää tätä, tai voi, mutta

10 Valimoprosessin valinta Valimoprosesseja on ainakin yli 20 erilaista ja niillä on erilaisia variansseja Kertamuottimenetelmät > 15 kpl Kestomuottimenetelmät < 10 kpl Soveltuvan prosessin valintaan vaikuttavat: Valmistettavan sarjan suurus -> automaatioaste Valumateriaali Mitta- ja muototarkkuusvaatimukset Laatuvaatimukset Valittava prosessi asettaa todennäköisesti rajoitteita muotoilulle -> kannattaa tuntea prosessit tai tee yhteistyötä valimon kanssa

11 Valuasennon valinta Valuasento tulisi valita mahdollisimman aikaisessa vaiheessa Ensimmäinen vaihe, joka vaikuttaa kappaleen muotoiluun Valuasento määrittää hellitysten suunnan Valuasentoa valittaessa pitää huomioida Laatuvaatimukset -> tietyillä virheillä on suurempi taipumus muodostua/kerääntyä valun tiettyihin osiin Valuasennolla voi olla huomattava vaikutus valukappaleen syöttöön Käytettävä valimoprosessi ja/tai valimo vaikuttaa Vaikutus mitta- ja muototarkkuuteen -> jakopintasiirtymät Jos valuasentoa ei tiedetä, sitä ei kannattaisi lähteä arvaamaan (toimita valimolle toinen neutraali 3D-malli ilman hellityksiä ja pyöristyksiä -> helpompi muokata) Valimo pystyy päättämään valuasennon, kunhan heillä on riittävät tiedot vaatimuksista

12 Vaihtoehtoja Kaikki tavat voivat olla toimivia Toinen ei ole toista parempi vain haluttu lopputulos ratkaisee Valumateriaali Laatu -> valuvirheiden sijoittuminen, geometrinen mittatarkkuus, Valujärjestelmän sijoittuminen

13 Jakolinjan/-pinnan valinta Kun valuasento on valittu, niin sitä seuraa luonnollisesti jakopinnan valinta Murtojakopinta ei ole enää niin hankala asia kuin muutama vuosikymmen sitten (3D-CAD/CAM) Mieluummin murtojakopinta kuin keerna Parempi mittatarkkuus ja vähemmän työvaiheita Jakopinnan ja sen muodon valintaan vaikuttaa Laatuvaatimukset Mittatarkkuus Kappaleen syöttäminen Voidaan jättää hyvin valimonkin päänvaivaksi

14 Murtojakolinja / polvana Alapuolen valumalli Yläpuolen valumalli Murtojakopinta tarkoittaa, että valumuotin jakopinta ei ole tasomainen vaan se polveilee. Tarvittaessa se voi olla vaikka kaksoiskaareva Keernalaatikko

15 Tunne yleisimmät valuvirheet Eivät todellakaan ole valukappaleen suunnittelijan vastuulla, mutta niihin pitää pystyä ottamaan kantaa Valuvirheet eivät vain tapahdu, vaan ovat prosessin tuotteita -> robusti muotoilu auttaa ehkäisyssä Ei ulosmitata materiaalin kaikkea lujuutta Pyöristetään etenkin sisäpuolisia nurkkia kunnolla Piensarjoissa ei kannata optimoida työvaroja Iso-osa valunsuunnittelua on virheiden ehkäisyä Tämän takia valunsuunnittelijan täytyy tuntea tärkeimmät valuvirheet ja niiden syntyyn vaikuttavia tekijöitä Repeämät Imut Huokoset Sulkeumat Hiekkavirheet Mittavirheet

16 Yleisimmät virheet Repeämät Kuumarepeämä -> tapahtuu kyseisen kohdan ollessa puuroalueella Kylmärepeämä -> tapahtuu kun kyseinen kohta on täysin jähmettynyt Imuhuokoisuus Imuhuokoset (ainekeskittymät -> täytyykö kaikkia keskittymiä syöttää?) Keskilinjanhuokoisuus (levymäisen rakenteen keskilinjalla) Huokoset Pintahuokoset Sisäiset huokoset Kaasupuhallukset Sulkeumat Kuona Reoksidaatiokuona Hiekkavirheet Kuoriutumavirheet (keernassa tai muotissa) Huuhtoumavirheet (muottieroosio) Muottirikot Mittavirheet Väärin arvattu kutistuma tai epätasainen kutistuminen Mallityökalu ja sen valmistustapa (materiaalit, välykset) Kaikkiin edellä mainittuihin voidaan vaikuttaa valunsuunnittelulla

17 Virheiden sijainti Yhtä tärkeää kuin virheen tunnistaminen on virheen sijainti tai konteksti Virheen sijainti antaa arvokasta tietoa virheen juurisyistä ja keinoista sen ehkäisemiseksi Kissa on kuollut, mutta mihinkä se kuoli?

18 Kuinka valukappale suunnitellaan virheettömäksi Ei mitenkään Pitää määrittää riittävä virheettömyysaste Määritetään kappaleen eri alueilta vaadittavat laatuluokat Kun kappaleen geometria on lukittu, niin sen jälkeen tiettyjä virheitä ei enää välttämättä voida välttää -> esim. imut tai keskilinjanhuokoisuus Ainakin seuraaviin laatustandardeihin kannattaa tutustua: SFS-EN_1369:2012_VALUT_MAGNEETTIJAUHETARKASTUS SFS-EN_ _VALUT. ULTRAÄÄNITARKASTUS. OSAT 1 3 SFS-EN :2012 VALUT Tunkuemanestetarkastus_OSA_1 SFS-EN_ISO_8062-3_AC_Geometrinen tuotemäärittely

19 Valukappaleen suunnitteluvaiheet Tee yhteistyötä valimon ja koneistajan kanssa jo suunnittelun alkuvaiheessa Valitse sopiva materiaali Määritä sopivat toleranssit (geometrinen- ja mittatarkkuus) Valitse sopiva valimoprosessi (tunne prosessien eri piirteet) Valitse valuasento ja jakopinta (yhteistyössä valimon kanssa) Lisää hellitykset ja pyöristykset tai toimita lisäversio 3D-mallista ilman pyöristyksiä ja hellityksiä (helpompi muovata valimolla) Määritä vaadittava virheettömyystaso (laatuluokat, standardit) Kappaleen nostamisen suunnittelu (Nostotapit, lenkit vai nostoinsertit) Suunnittele kiinnittäminen koneistamista varten

20 Valuaihio

21 Yläpuolen muotinpuolikas ja sen tekemiseen tarvittava valumalli

22 Alapuolen muottipuolikas ja sen tekemiseen tarvittava valumalli

23 Keernalaatikko ja keerna

24 Valumuotin kokoaminen: Keerna lasketaan alamuottipuolikkaan sisään ja näiden päälle nostetaan yläpuolen muottipuolikas = valmis muotti

25 Poikkileikkauksia valmiista valumuotista

26 Valmis valu, kappaleesta pitää poistaa vielä purseet ja syöttökupu, niin se on valmis Syöttökupu Purseet

27 Ominaisuus Yksikkö Valumateriaali Valumateriaalien ominaisuuksia Rakenne teräs Nuorrutus teräs Kuumaluja teräs Haponkestä vä teräs Tulenkestä vä teräs Suomugrafiittirauta Pallografiitti valurauta Myötölujuus N/mm Kromirauta Murtolujuus N/mm Venymä % % 8 15 % % % 8 20 % 0 0,5 % 2 22 % 0 % Iskusitkeys J Hyvä Hyvä Hyvä Erinomain. Tyydyttävä Huono Tyydyttävä Olematon Kimmomoduuli KN/mm Hitsattavuus Hyvä Välttävä Tyydyttävä Hyvä Hyvä Olematon Huono Olematon Valettavuus Hyvä Tyydyttävä Hyvä Tyydyttävä Välttävä Erinomain. Erinomain. Tyydyttävä Koneistettavuus Hyvä Tyydyttävä Hyvä Tyydyttävä Tyydyttävä Erinomain. Erinomain. Huono Korroosionkestäv. Huono Huono Huono Erinomain. Hyvä Välttävä Välttävä Tyydyttävä Kuumankestävyys C Max. 450 Max. 500 Max. 600 Max.900 Max.1200 Max. 600 Max 800 Max 600 Minimikäyttölämp. C (-20)? Lämpökäsittely Pakollinen Normalisointi Pakollinen Nuorrutus Pakollinen Normalisointi Pakollinen Liuotushehk. Ei tarvetta Ei tarvetta Lujat laadut Perlitointi Pyydettäessä Karkaisu Lämpölaaj. Kerr. * Valukutistuma 2 2,4 % 2 2,4 % 2 2,4 % % 2,5 3 % 0 0,5 % 1 1,2 % 2 2,4 % Mikrorakenne Ferriittisperliittinen ferriitti ferriitti fer. + perl. fer. +perl. perliitti Ferriitti tai perliitti perliitti * 27

28 Suomugrafiittirautojen ominaisuuksia EN-1531 GJL-150 GJL-200 GJL-250 GJL-300 GJL-350 Perusrakenne Ferriittisperliittinen Perliittinen Murtolujuus R m N/mm % venymisraja R p0.1 N/mm Murtovenymä A % Puristuslujuus σ db N/mm % Puristuslujuus σ d0.1 N/mm Taivutuslujuus σ bb N/mm Leikkauslujuus σ ab N/mm Vääntölujuus τ 1B N/mm Kimmomoduuli E Gpa Poissonin vakio ν Taivutusväsymislujuus σ bw N/mm Vetopuristus-väsymisraja σ zdw N/mm Murtumissitkeys K IC N/mm 3/

29 Taulukon arvot ehdottomasti minimiarvoja, normaalisti joudutaan käyttämään pari milliä suurempia arvoja. Suomugrafiittivalurautojen juoksevuus on valumateriaalien parhaimmasta päästä Fosforiseosteisilla suomugrafiittiraudoilla voidaan valaa jopa alle 2mm seinämäpaksuuksia (vanhat lämmityspatterit) 29

30 Pallografiittirautojen ominaisuuksia Ominaisuus Yksikkö Valurautalajin nimike EN-1563 GJS GJS GJS GJS GJS GJS GJS GJS Myötölujuus N/mm Leikkauslujuus N/mm Vääntölujuus N/mm Kimmomoduuli KN/mm Poisson luku v Väsymislujuus Kiertotaivutus loveamaton Väsymislujuus kiertotaivutus lovettu N/mm N/mm Taivutusvaihtoluj. N/mm Veto-puristusluj. N/mm Vääntövaihtoluj. N/mm Puristuslujuus N/mm Murtumissitkeys Mpa*m 1/ Lämmönjoht. W/(K*m) Ominaislämpö J/(kg*K) Lämpölaaj. Kerr Rakenne ferriitti ferriitti ferriitti fer. + perl. fer. +perl. perliitti perliitti perliitti

31 ADI-rautojen ominaisuuksia Ominaisuus Yksikkö Valurautalajin nimike EN-1564 GJS GJS GJS GJS Myötölujuus N/mm Leikkauslujuus N/mm Vääntölujuus N/mm Vääntöl. 0.2% raja N/mm Kimmomoduuli KN/mm Poisson luku v Väsymislujuus Kiertotaivutus loveamaton Väsymislujuus kiertotaivutus lovettu Taivutusvaihtoluj. AGMA 939-A07 N/mm N/mm N/mm Puristuslujuus N/mm Puristusl. 0.2%raja N/mm Murtumissitkeys Mpa*m 1/ Lämmönjoht. W/(K*m) 22,1 21,8 21,5 21,2 Valuraudat ja valuteräkset: MET, Raaka-aine käsikirja 2, 2001 Lämpölaaj. Kerr. Um(m*K) 14,6 14, ,8 Rakenne Aust.+ferr. Aust.+ferr Aust.+ferr Aust.+ferr

32 Taulukon arvoihin hyvä lisätä muutama milli, niin vältytään laatuongelmilta kuten kylmäjuoksuilta. Ohuet seinämät johtavat poikkeuksetta korkeisiin valulämpötiloihin, mistä yleensä seuraa ongelmia -> kiinni palanut hiekka, imut ja muut huokosongelmat 32

33 Ominaisuus Yksikkö Valuterästen ominaisuuksia Rakenne teräkset Nuorrutus teräkset Kuumalujat teräkset Työkalu teräkset Martensiit. ruostumattomat Haponkes - tävät teräkset Tulenkest. teräkset Myötölujuus N/mm Murtolujuus N/mm Kimmomoduuli KN/mm Veto-puristusluj. N/mm Kovuus HB Lämmönjoht. W/(K*m) Ominaislämpö J/(kg*K) Lämpölaaj. Kerr. * Koneistettavuus Hyvä Hyvä Hyvä Ennen karkaisua Kohtuullinen Kohtuullinen Kohtuullinen Hitsattavuus Hyvä Heikko Kohtuullinen Huono Hyvä Hyvä Hyvä Rakenne Ferrittiä ja martensiittia Ferriittinen Ferriittisperliittinen Martensiittinen Päästömartensiittinen Austeniittinen Austeniittinen 33

34 Viereinen taulukko on melko optimistinen Valettava teräs vaikuttaa myös melkoisesti käytettävään minimi seinämänpaksuuteen Runsaasti seostetuilla laaduilla tarvitaan yleensä suurempi seinämänpaksuus johtuen huonommasta juoksevuudesta Itse lisäisin muutaman millin taulukon arvoihin 34

35 Valumenetelmien vertailu (kertamuottimenetelmät) Kaavausmenetelmä Mallivarusteet Valun koko Sarjan suuruus Valumetallit Toleranssit Muotoilun vapaus Mallien muutos Käsin kaavaus sinkokaavaus puu tai metalli 1kg 100t piensarjat Kaikki CT Hyvä Helppo Jäykkämuottikaavaus (hartsimuotti) Täysmuotti-kaavaus (koneistettu malli) Täysmuottikaavaus2 (paisutettu malli) Keraamimuotit Puu, muovi, metalli, styroksi 1kg-100t Kaikki CT Hyvä Helppo styroksi 1kg-100t 1 10 kpl Kaikki (teräs varauksin) styroksi 1kg-100t suursarja Kaikki (teräs varauksin) Puu, muovi, metalli CT 8-12 Erinomainen Erittäin helppo CT 8-12 Hyvä Kallis 50kg-10t kaikki CT Erittäin hyvä Helppo Konekaavaus (tuorehiekka) Puu, muovi, metalli 1kg-1ton Yli 100kpl Kaikki (teräs varauksin) CT 7-10 Hyvä Kallis Kuorimuottikaavaus Metalli 100g 50kg Yli 100kpl kaikki CT 7-10 Erittäin hyvä Kallis Tarkkuusvalu 1g 1 kg Yli 500kpl kaikki CT 4-6 Erittäin hyvä Kohtalainen Vakuumikaavaus Jääkaavaus Puu tai muovi Puu, muovi tai metalli 1kg-10t Ei ruostumat. CT Kohtalainen Kohtalainen 1kg-10t Kaikki CT Kohtalainen Kohtalainen 35

36 Kestomuottimenetelmien vertailu Painevalu Matalapainevalu Kokillivalu Kaavausmenetelmä Mallivarusteet Metallia (rauta tai teräs) Metallia (rauta tai teräs) Metallia tai grafiittia Valun koko 10g 1000kg Sarjan suuruus suursarja Valumetallit Toleranssit Muotoilun vapaus Alumiini, sinkki ja messinki 1kg-100t suursarja Alumiini, sinkki ja messinki 0,1 200kg Yli 100 Metallit ja valurauta Mallien muutos CT 4 8 Hyvä Vaikea CT 6 Hyvä Vaikea CT 6 9 Hyvä Kohtalainen Puristusvalu (Rheocast ) Metallia 1 50 kg suursarja Alumiini ja valuraudat CT 6 Rajoitettu Kohtalainen Keskipakovalu Metallia tai grafiittia 1kg 10000kg Yli 100 Kaikki, yleensä pronsseja CT 7 9 Rajoitettu Vaikea